[비즈한국] 继哈勃与詹姆斯·韦布之后，又一架太空望远镜奔赴太空。这就是于当地时间8月30日，在肯尼迪航天中心39号发射台搭乘猎鹰重型运载火箭发射升空的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜。
简单来说，罗曼望远镜拥有与哈勃相同尺寸的“眼睛”，但其观测范围却是哈勃的约100倍。罗曼望远镜能以惊人的速度快速扫描广阔的宇宙，只需一个月就能完成哈勃需要100年才能完成的观测任务。它与那些深入探测特定天体的传统太空望远镜在性质上就截然不同。
“哈勃之母”——南希·格雷斯·罗曼
1959年，当太空望远镜这一概念还显得陌生甚至备受质疑时，南希·格雷斯·罗曼（Nancy Grace Roman）就在NASA领导了太空天文计划。此后，她通过争取国会严苛的审批，在将后来成就“哈勃太空望远镜”的伟大梦想变为现实的过程中发挥了关键作用。因此，她常被称为“哈勃之母”。
目前被称为罗曼太空望远镜的这台望远镜，最初的名字远没有现在响亮。由于其旨在以宽视场观测红外宇宙，它曾被称为WFIRST（广域红外巡天望远镜）。然而，在南希·罗曼于2018年去世后，为了纪念她的成就，望远镜以她的名字命名。可以说，那位曾为哈勃的诞生做出贡献的人，如今又以另一台望远镜的名义，继续注视着宇宙。
用与哈勃相同的镜片，看100倍宽广的天空
罗曼望远镜的主镜直径为2.4米，与哈勃完全相同。如果与通过拼接多块镜片而拥有更巨大主镜的詹姆斯·韦布相比，它可能会被认为是一台小型望远镜。但罗曼的核心并不在于镜片大小，而在于其光学系统和观测方式。
如果说哈勃擅长深入且精确地窥探狭窄的太空，那么罗曼则被设计为能同时以同等精度观测更广阔的区域。
在普通望远镜中，收集的光线通常在视场中心最清晰。而罗曼为了同时确保极宽的视角，其光学系统被配置为在中心周围的广阔区域内也能保持均匀的画质。检测器也没有简单地堆积在视场中心，而是被排列为能够高效覆盖广阔的焦平面。
罗曼的宽视场相机约为3亿像素。每个像素代表的空域大小约为0.11角秒，单次拍摄覆盖的天空面积甚至比满月还要大。与哈勃的视场相比，足足宽了近100倍。
然而，仅仅扩大视场并不能解决所有问题。窄视场只需确保画面中央的目标天体清晰即可，但随着视场变宽，画面中出现的恒星和星系数量会大幅增加。无论天体位于画面的哪个位置，都必须保持同等程度的清晰，且星光要在整个宽阔的焦平面上稳定成像。罗曼集成了实现这一目标的尖端光学技术。
为何需要罗曼望远镜
既然已经有了哈勃和詹姆斯·韦布等众多太空望远镜，为什么还需要罗曼望远镜呢？原因显而易见：罗曼承担的角色与现有望远镜完全不同。
在特定时间点，罗曼可以观测到全天约59%的区域。与哈勃那种长时间深入观测遥远单个天体的望远镜不同，罗曼更像是一台巡天望远镜，能快速扫视广阔天空，寻找超新星、系外行星、星系等各种天体和现象。
当罗曼在广阔的天空中率先发现特殊天体后，哈勃或詹姆斯·韦布便可以对这些目标进行更深入、更清晰的观测。这种从广阔区域中挖掘目标到深入精细研究的分工，将变得非常高效。
从这一点来看，罗曼的任务反而与欧洲航天局此前发射的欧几里得太空望远镜有些相似。欧几里得观测范围约为1.5万平方度。虽然罗曼的调查范围较小，但它能以更高的空间分辨率审视宇宙。
近期正式投入观测的智利薇拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）也以32亿像素的巨型相机快速扫描可见光天空。虽然鲁宾天文台的视场比罗曼更宽，但作为地基望远镜，无法摆脱大气层的干扰。反之，鲁宾使用可见光观测同一天空，而罗曼则使用近红外线。结合两组数据，可以比较无数天体随波长变化的特性。
罗曼将绘制的巨型宇宙地图，在研究隐藏在宇宙各处的暗物质和暗能量方面将发挥重要作用。第一种方法是重力透镜效应。存在于宇宙各处的暗物质会扭曲时空，从而微弱地拉伸和扭曲来自其背后的星系影像。
由于仅观测单个星系无法得知其原始形态，因此很难准确判断该星系被扭曲了多少。但如果同时观测并统计数亿个星系的形状，情况就不同了。通过分析星系影像平均向哪个方向、偏转了多少，可以反向追踪其间存在的暗物质分布。罗曼的宽视场在测量这种大规模的弱引力透镜效应方面尤其具有优势。
通过星系分布解读宇宙膨胀史
第二种方法是绘制宇宙空间中星系的三维分布图。
通过罗曼搭载的各种光谱仪测量单个星系的光谱并求出红移，可以推断星系距离。由此，不仅可以构建二维位置图，还能绘制出包含距离深度信息的巨型星系图。
其中还残留着“重子声学振动（BAO）”的痕迹，这是在大爆炸后初期宇宙物质与光结合时期形成的印记。测量星系平均分布的间距，并追踪该间距随宇宙历史的变化，就能推测出宇宙膨胀的历史。
这最终成为揭示宇宙中暗物质和暗能量含量，以及暗能量如何影响宇宙膨胀的重要线索。
第三种方法是反复观测随时间变化的宇宙面貌。
罗曼会以固定间隔反复观测同一片天空。多次拍摄同一区域，不仅可以发现几天内突然出现或消失的天体，还能捕捉到以一定周期明暗变化的星光。
天文学家期望通过这种时序观测，发现超过2万颗新超新星。超新星是掌握宇宙演化的关键天体。由于亮度极高，即便是非常遥远的距离也能观测到；特定类型的超新星还被用作测量天文距离的“标准烛光”。暗能量概念的提出，正是源于利用超新星测量遥远星系距离并调查宇宙膨胀历史的研究。
特别是利用星系空间分布和超新星进行的两种观测，近期在宇宙论中具有了更有趣的意义。近期测量全天重子声学振动的研究提出，暗能量可能随时间变化，且其强度似乎在减弱。同时，也有人提出超新星本身的亮度可能随宇宙时代的不同而略有差异。如果是这样，也可能与暗能量并非始终恒定这一可能性有关。
在暗能量本质这一宇宙论最大的谜团之一引发新争论的关口，罗曼将执行的大规模星系图和超新星观测具有尤其重要的意义。
罗曼带来的另一场革命：数据
罗曼的重要创新不仅在于观测装备，还在于处理数据的方式。罗曼预计平均每天产生约1.4TB的观测数据。5年内积累的总数据规模将达到约20PB（拍字节，10的15次方）。这比哈勃过去几十年积累的所有数据总量还要庞大得多。
更重要的是，这些数据不会被某个特定的研究小组长期垄断，而是计划在预处理完成后立即向全球天文学家公开。
不过，由于数据量过大，将所有资料直接下载到个人电脑进行分析是不现实的。取而代之的是，将庞大的数据存储在统一位置，由研究人员接入云端环境进行所需分析的方式将变得至关重要。
由于数据量超出了人类肉眼逐一检查的能力范围，人工智能和机器学习的作用也在随之增强。目前正在开发能够生成与实际观测相似的高精度影像、自动分类无数星系、并找出突然改变亮度的特殊天体的机器学习工具。
过去，全球市民参与的“公民科学”项目在分类海量天文数据方面起到了重要作用。如今，这些积累下来的公民科学成果正成为优秀的学习数据，用于训练人工智能。可以说，一个由人类学习过的宇宙再由人工智能进行更快速、高效分析的时代已经开启。
广阔且精准的全新宇宙
哈勃和詹姆斯·韦布所展现的宇宙已经给人类留下了深刻印象。但罗曼是与它们处于不同层面的望远镜。如果说哈勃和詹姆斯·韦布深入挖掘了宇宙中特定的微小区域，那么罗曼则以同样精确的眼光同时审视着更广阔的宇宙。罗曼拍摄的一张照片中，不会只包含几颗明亮的恒星或一个华丽的星系。无数的恒星和星系将被同时记录，填充其间的暗物质分布以及宇宙膨胀的历史也将一同被刻画下来。
当观察宇宙的新视界开启时，我们所知的宇宙面貌也可能发生改变。南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将向我们呈现的下一个宇宙，或许将呈现出与哈勃和詹姆斯·韦布所开启的宇宙完全不同的风貌。
作者 池雄培？喜爱猫和宇宙。儿时在看过《银河铁道999》后，立志要传达宇宙的美丽。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，同时从事演讲、写作等多种科学传播活动。著有《关于天文学家的无用论》、《我们生而为天文学家》、《看宇宙时冒出的奇奇怪怪的问题》等书，并翻译了《我究竟是如何杀死冥王星的》、《量子生活》、《UFO》等作品。