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观测效率是哈勃的千倍,视野是哈勃的百倍……罗曼空间望远镜启动宇宙巡视

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对于那些探索时空本质与宇宙奥秘的学者而言,1980年代充满惊喜和困惑。

阿兰·古斯(Alan Guth)提出宇宙暴胀理论,即宇宙在诞生后的极短瞬间发生了一段指数级的急剧膨胀,这解决了大爆炸理论无法解释的多项疑难。不过,诸多根本性谜题悬而未决。研究者不知道宇宙诞生于何时、以何种方式形成,也不清楚宇宙的物质构成。太阳系之外的世界几乎只可想象而无从观测。

随后,美国宇航局(NASA)启动大型轨道天文台计划(Great Observatories),其中率先奔赴星辰的是1990年发射的哈勃空间望远镜。自此,人类仰望星空的视野焕然一新。

芝加哥大学宇宙学家迈克尔·特纳(Michael Turner)表示:“如今,我们面对这些时内心毫无波澜。但在当时,把望远镜送入太空可谓十分大胆。那是‘手可摘星辰’的观察境界了。”

2026年8月30日,NASA发射南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜(RST),将人类探索太空的边界进一步拓展。


技术人员正在检查南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜的主镜表面

这台望远镜有望呈现一幅宽广、深远的宇宙图景——仅单张完整图像就需要超过50万台高清电视机方可显示。罗曼望远镜的观测效率最高可达哈勃的上千倍,视场广度至少为哈勃的百倍。它将凭借锐利的红外观测能力,捕捉数以十亿计的星系与恒星,预计还可发现约十万颗全新的系外行星。

天文学界将依托RST的观测数据来揭示暗物质与暗能量(二者约占宇宙总构成的95%)的神秘面纱,并完成对银河系内行星的普查工作。更令人期待的是,罗曼望远镜或许还将引出许多学界从未设想的视角、不曾思考的谜题。

罗曼望远镜科学团队负责人朱莉·麦克内里(Julie McEnery)表示,罗曼望远镜就像它的前辈们那样,配备了“可开辟全新探索空间的基础性新能力”,而过往每位前辈的工作,都带来了重大科学成果。


8月21日,罗曼望远镜完成封装,准备由SpaceX猎鹰重型火箭发射


一名光学技术人员正躺在罗曼望远镜的主镜与次镜之间

把望远镜送入太空的构想诞生于20世纪上半叶。彼时地面天文台的口径越造越大,天文学家则借助天文台,不断揭示有关恒星的奥秘,但地球大气层如同面纱,会扭曲、阻挡多种波段的光线,极大限制观测能力。观测设备若进入太空,便可收集整个电磁波谱范围内的光信号。

1960年代,NASA在推进阿波罗登月项目的同时,开始尝试运行轨道天文台。到1970年代末,美国国会批准拨款哈勃望远镜项目就此正式启动。这很大程度上要归功于南希·格蕾丝·罗曼(Nancy Grace Roman),NASA的首位首席天文学家,空间天文学项目体系的主要奠基人。


1965年的南希·格蕾丝·罗曼

当然,在NASA的大型轨道天文台计划中,哈勃只是一位先行者,其主要观测波段为近紫外、可见光和近红外。后来部署的另外三台大型空间望远镜不遑多让:1991年的康普顿伽马射线天文台、1999年的钱德拉X射线天文台与2003年的斯皮策空间望远镜,覆盖了伽马射线、X射线和红外波段。

这批天文台重塑了人类对宇宙的理解。比如,哈勃精确测得宇宙向外膨胀的速率,帮助科学家推算出宇宙的年龄:目前公认的估计值约为138亿年。

空间望远镜在宇宙各处探测到黑洞,包括像银河系这样的星系核心处的超大质量黑洞,记录下宇宙中某些最为剧烈、最具能量的天体事件,还拓展了人类对于太阳系外行星的存在及其特征的认知。

在大型轨道天文台计划之后,2009年发射的开普勒望远镜努力搜寻太阳系外行星,将人类已知的系外行星数量提升至数千颗,作为哈勃望远镜继任者的詹姆斯·韦布望远镜在2021年底启航,旨在回望宇宙诞生之初,捕捉早期星系萌芽的景象。


哈勃拍摄的大麦哲伦星云中的1987A超新星的影像

借助哈勃与多台地面望远镜,科学家发现宇宙膨胀速率并非恒定,而是随时间加速,其驱动力则来自暗能量的排斥作用。一项2025年的研究提示暗能量的排斥力或随时间推移而起伏变化。有趣的是,学界通过两套不同方法测算出两种不同的宇宙膨胀速度数值。

两项结果之间存在约9%的偏差。这一看似微小的差异,足以深刻左右人类对宇宙历史及其最终命运的理解。

此外,虽然天文学家早在数十年前就确证了暗物质的存在,并认识到它驱动着星系运动、塑造了宇宙整体结构,但时至今日,我们仍无法直接探测到它,对其微观本质一无所知。

另一方面,人类迄今已探测到超过6000颗系外行星,却始终未在地外空间发现生命。

围绕上述未解难题,以罗曼望远镜为代表,规模更大、速度更快,分辨率和精度更高的新一代空间望远镜,将从各自不同的观测视角出发,各展所长。罗曼延续了NASA地面与空间天文台一脉相承的探索传统:不锁定特定目标,大范围扫描天空。

依托这种巡天模式,天文学家可以利用罗曼望远镜的数据,研究恒星内部结构、明亮的星系喷流、正吞噬物质的黑洞以及其他各类奇特的宇宙天体现象。


哈勃望远镜能捕捉可见光波段的光线,也可观测部分红外波段。罗曼望远镜的红外分辨率与哈勃大致相当,但拥有视野更广、观测效率更高的“眼睛”。哈勃积累数百年方可收集到的数据量,只须消耗罗曼5年时间。


罗曼的优势在于观测广度,韦布空间望远镜则可补足观测深度。韦布可回溯至接近宇宙诞生之初,也就是大爆炸发生后数百万年的时期。两台望远镜均以红外波段记录宇宙,但韦布的空间分辨率更高,能对单个天体作精细观测。


与罗曼一样,欧几里得空间望远镜的目标也是对宇宙的大片天区开展巡天观测。它计划测绘约1/3的天空,但其观测精度和深度都不及罗曼——其成像范围仅覆盖约12%的天空。


薇拉·鲁宾天文台是罗曼在地面上的“姊妹”设备。鲁宾每隔几日便会用可见光波段完成对整个南天的成像。罗曼从太空开展观测,视野更窄,但成像更清晰度,能针对鲁宾在地面看得模糊的天体作跟进观测。


NASA正为下一代大型空间望远镜,即宜居世界天文台(Habitable Worlds Observatory)打基础,并计划于2040年代完成发射。罗曼搭载的其中一台仪器,将针对这一概念阶段的天文台开展技术验证。据称,宜居世界天文台或将有能力在类地系外行星上发现生命。

资料来源:


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