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100个哈勃:罗曼空间望远镜有多强?

在哈勃空间望远镜的继任者中,以被誉为“哈勃之母”的天文学家南希·罗曼命名的望远镜——罗曼望远镜——是最重要两个之一。它的主镜面的直径与哈勃相同,但它的视界是哈勃的第三代宽场照相机的红外铠甲形式的视界的大约200倍,是哈勃的高档巡天照相机视界的大约100倍,并且成像质量不差劲于哈勃,因而被称为“100个哈勃”。它有什么“黑科技”,又有什么样的科学方针?本文带你走进罗曼空间望远镜的宿世此生,领会它的强壮。

咱们要评出当今世界上最闻名、最有影响力的天文望远镜,那必定是美国国家航空航天局与欧洲航天局具有的哈勃空间望远镜。在曩昔30年的时刻里,哈勃取得了海量的宝贵数据与美图,重塑了曩昔30年人类对世界万物与世界本身的认知。

但NASA并不满足于哈勃取得的成果。为了进一步破解世界万物的奥妙,NASA规划了多个未来的空间望远镜,其间与哈勃同类的主要有詹姆斯·韦伯空间望远镜与南希·格蕾斯·罗曼空间望远镜。

罗曼的艺术幻想图 | 来历:Neil Gehrels, Kevin Grady

在之前的文章中,咱们介绍了“哈勃之母”南希·格蕾斯·罗曼的生平与成果。在这篇文章中,咱们将介绍以她来命名的空间望远镜的宿世此生,它上面的仪器、它的科学方针与其他一些重要信息。

罗曼的宿世:锁眼-11号卫星的黑科技

罗曼的故事要从锁眼-11号卫星说起。

锁眼系列卫星是美国侦办局研发的侦办卫星,其功用便是铠甲地上上的军事方针,因而它们本质上是空间望远镜,仅仅它们是在太空中对着地上铠甲,而不是对着星空铠甲。

锁眼系列卫星的每一代都有多个同款卫星。在这个系列中,1976年12月19日由大力神III-D火箭送上太空的第一颗锁眼-11号卫星具有重要的转机含义:它是世界上最早选用电荷耦合器件代替传统底片并用无线电信号传输数据到地上的航天器。

锁眼-11号结构的艺术幻想图,图中别离标出了推进器、航天电子设备、高分辨率相机、中继天线、燃料箱、主镜面与副镜 | 来历:Trendsbuzz.com

这个形式直接影响了尔后哈勃的规划:规划专家们一度想让哈勃带一个底片箱升空,用完底片后让宇航员上去替换——咱们是这样,现在哈勃的海量精巧相片是别盼望了。锁眼-11号改变了这一切。锁眼-11号卫星成功运用CCD铠甲与无线电数据传输形式后,加州理工学院的科学家与工程师在规划“宽场与行星照相机”时也选用了CCD成像形式与无线传输形式。

1993年,由航天飞机送上太空的宇航员在太空中取出哈勃上面的WFPC | 来历:NASA

锁眼-11号卫星的主镜面的口径是2.4米,与哈勃主镜面的口径相同。这绝不是偶然。

当年NASA想象的大型空间望远镜的口径为3米,后来由于预算太高而被卡了。为下降预算,NASA通过评价,终究决议将望远镜的口径减小到2.4米。

为什么要下降到2.4米?由于锁眼-11号的主镜面口径是2.4米,包容这个主镜面的飞船体系是由洛克希德公司依据这个标准定制。咱们哈勃选用2.4米的主镜面,洛克希德公司就能够直接制作包容这么大的镜面的飞船。咱们用其他标准,洛克希德就要从头规划不同标准的飞船后再制作,而这将推高预算。这使得哈勃的主镜面口径终究被定为2.4米。

此前网上有人说哈勃的主镜面是当年锁眼-11号不必的主镜面,这是过错的说法。哈勃的主镜面是由柏尔金-埃尔默公司磨制的,而锁眼-11号的主镜面由埃克斯利斯公司制作。此外,锁眼卫星的镜面磨得深,而哈勃的镜面磨得浅得多。

尽管主镜面来历不同,但哈勃太空船体系、CCD铠甲、无线电数据传输形式乃至总重量都与锁眼-11号高度相似。

2009年,修理之后被从头放回太空的哈勃 | 来历:NASA

跟着技能的开展,NRO开展出更强更大的主镜面,有两个2.4米的主镜面还没被运用就被判定为“掉队”,然后就被搁在无尘室内,每个月耗费10万美元的保管费。作为比照,当年哈勃放在无尘室时每月耗费600万美元的保管费。

罗曼的此生:从1.3米到2.4米的跃变

两块“掉队”的镜面静静躺在无尘室时,一个会在将来与它们中的一块发生亲近相关的空间望远镜项目启动了——联合暗能量使命,缩写为JDEM。

这个项目由NASA与美国能源部联合出资开发,用以勘探奥妙的“暗能量”——1998年,两个相互竞赛的小组发现世界在几十亿年前开端加快胀大,后来科学家将推进世界加快胀大的奥妙力气称为暗能量。

依据规划,用以研讨暗能量的JDEM的主镜面的口径是1.3米,里边只要一个仪器,由成像器与光谱仪构成。2010年,美国研讨委员会10年巡天委员会将这个项目定为未来10年天文学的最高优先级项目。

2012年,NRO的作业人员忽然打电话给NASA的一个担任人,说要赠送2块2.4米的主镜给NASA。条件是只能用于空间项目之上。NRO如此大方的原因似乎是不想继续为这两块镜面付保管费,但实际上咱们将这两块镜面拿去卖,不只照样不必付出保管费,还能够卖个相当好的价钱。所以NRO送镜面给NASA,颇有“宝剑赠英豪”的意味。

关于这个送上门的两块镜面,NASA天然反常惊喜。通过研讨讨论,NASA决议将其间一块镜面装置到JDEM 之上,代替原本方案装置的1.3米口径的主镜面。这个改变,使JDEM的采光才能变为此前预期的3.4倍,并且其成像质量能够与哈勃相等。

差不多同时期,JDEM项意图称号被改为“宽场红外巡天望远镜-天体物理导向望远镜财物”,英文缩写为WFIRST-AFTA。2016年,WFIRST-AFTA被NASA正式立项。同年,项目称号中的AFTA被省掉,简称为WFIRST。

这一时期,WFIRST的项目担任人是闻名的高能天体物理学家尼尔·格勒斯,他从前掌管NASA的多个十分重要的空间望远镜项目——康普顿伽玛射线天文台、雨燕卫星等,具有十分丰富的空间望远镜项目办理的经历。2017年,格勒斯因胰腺癌病逝,杰弗雷·克鲁克成为WFIRST项目担任人。

2020年5月20日,NASA宣告将WFIRST改名为“罗曼空间望远镜”。

罗曼的主镜面是当年为锁眼-11号卫星定制的。它原本被预期用于观测地上方针,因而焦距比哈勃主镜的焦距短得多。因而,它也比哈勃的主镜面磨得深得多。咱们能够这么直观了解:罗曼的主镜面磨得像碗那么深,而哈勃的主镜面磨得比碟子还要浅。与之相应的,罗曼的视界比哈勃的视界大得多:哈勃上的相机要铠甲一两百次才能够拍完的天区,罗曼上的相机一次就能够拍完。

由于焦距短,装载罗曼的飞船也比装载哈勃的飞船短得多,因而罗曼被人们戏称为“矮壮版哈勃”。在横截面简直相同时,飞船短得多也就意味着轻得多:罗曼在升空时的质量是4.166吨,而哈勃升空时的质量是11.11吨,挨近罗曼望远镜质量的3倍。罗曼的飞船由哈里斯公司制作,这个公司在2015年与制作出罗曼主镜面的埃克斯利斯公司兼并。

罗曼的两大设备:宽场设备与星冕仪

望远镜的主镜面只担任收集光线,要进行科学研讨,还需求运用各种仪器来接纳主镜面收集到的光,比方各种滤光片与光谱仪。与罗曼望远镜的主镜面合作的仪器有两个。第一个仪器是宽场设备,第二个仪器是星冕仪。

罗曼的结构图,其间右侧淡黄色箭头所指为宽场设备的结构图,左边白色箭头所指为星冕仪 | 来历:Neil Gehrels, Kevin Grady

宽场设备是罗曼上面用来进行大规模观测的设备。它由两套部件构成。其间,第一套部件是一个照相机与配套的7个滤光片。其间,照相机由18个CCD勘探器拼接而成,总像素抵达2.88亿。7种滤光片的观测波长的规模从480纳米到2000纳米,能够观测绿、黄、红光与红外线。

宽场设备的第二套部件是两个光谱仪,用来观测天体的光谱。光谱仪将天体宣布的光分化为多种色彩,似乎彩虹——这便是光谱,用来分化光、得到光谱的仪器便是光谱仪。这两个光谱仪别离是棱镜光谱仪与棱栅光谱仪。棱镜光谱仪的分光东西是一个棱镜,棱栅光谱仪的分光部件是一个棱栅——将棱镜的一侧刻出很多条纹、使其成为“光栅”,即为棱栅。罗曼上面的棱镜光谱仪观测的波长规模从600到1800纳米,对应赤色到近红外线规模;棱栅光谱仪观测的波长规模从1000到1930纳米,在近红外线规模。

罗曼上面的宽场设备的结构图,其长、宽、高别离是2.75米、1.85米与1.29米 | 来历:Neil Gehrels, Kevin Grady

宽场设备的照相机单次观测规模是0.281平方度,相当于满月在天空中占有的巨细,是哈勃的第三代宽场照相机的红外通道单次观测规模的约200倍,是哈勃的高档巡天照相机单次观测规模的约100倍。

罗曼的视场与哈勃以及韦伯上面的相机的视场的比照。图中共有18个白色边框区域,对应罗曼的18个CCD勘探器的视场,图下方从左到右别离是哈勃的ACS、哈勃的WFC3与韦伯的NIRCAM的视场巨细。 | 来历:Wide-Field InfraRed Survey Telescope- Astrophysics Focused Telescope Assets WFIRST-AFTA 2015 Report by the Science Definition Team (SDT) and WFIRST Study Office

因而,罗曼十分合适用来对世界进行扫描式观测。依据规划,它每5天就能够从头扫描到天空中几十平方度内的恣意方针。几十平方度是满月区域的上百倍,是哈勃单次铠甲区域的上万倍。

罗曼的单次铠甲规模是哈勃上面的照相机的100-200倍,但拍出相片的质量却与哈勃平起平坐,因而有人直接称号罗曼为“100个哈勃”。它进行2200平方度的大规模巡地利,极限星等能够抵达27等;进行3平方度的小规模深场巡天的极限星等为29等。在曝光1小时的状况下,7个滤光片的观测极限星等都能够抵达28等左右。

为便于直观领会这些数字,咱们以人的肉眼能够观测到的最暗的星来比照。28等的亮度是6.5等星亮度的4亿分之1,29等的亮度是6.5等星亮度的10亿分之1。

哈勃观测的极限星等是30等,是6.5等星亮度的25亿之1。咱们添加相机曝光时刻,罗曼望远镜也能够观测30等的光源。比方,宽场设备对超新星进行深度成像时,Z、Y、J、H、F滤光片能够别离观测到28.7、29.5、29.4、29.6与29.7等,都挨近或约等于30等。

罗曼的第二个设备是星冕仪。咱们知道,太阳的外围有一层帽子状的高温气体,它像帽子相同,因而被称为“日冕”。咱们不凭借仪器,天文学家只能在日全食时才能够看到日冕。为了能够在平常能够观测到日冕,天文学家发明晰一种仪器,它能够遮住太阳宣布的光,但不遮住日冕宣布的光,然后构成日全食相同的效果。这便是日冕仪。为了观测一些亮堂的恒星邻近的行星与其他昏暗天体,天文学家发明晰相似仪器,用以遮挡恒星宣布的光,这便是星冕仪。

罗曼上面的星冕仪也由照相机与光谱仪构成。星冕仪挡住恒星宣布的光之后,照相机用来直接铠甲恒星邻近的行星与物质盘的图画,光谱仪用来获取这些方针的光谱。

星冕仪上面的照相机视界的边长只要9角秒,光谱仪的视界的边长只要2.2角秒。对应的天区的面积别离只要宽场设备观测面积的1/4500与1/750000,都比宽场设备的视场小得多,合适用来进行固定方针的后续观测,而不能用以巡天。

罗曼上面的星冕仪的结构图 | 来历:Neil Gehrels, Kevin Grady

咱们用星冕仪遮挡住恒星宣布的强光,只捕获恒星周围的行星反射出的弱小光辉,便是“直接成像法”,它是勘探除了太阳之外的恒星周围的行星——系外行星——的重要办法之一。

罗曼的星冕仪具有高比照度的优势。尽管它的主镜面只要2.4米,但它的比照度却是未来建成运用的30米与40米口径的地上超大型光学望远镜的10倍左右。因而,罗曼可研讨的最暗的行星比后者的勘探极限暗20到100倍。并且,它的视场尽管比罗曼上面的宽场设备的视场小得多,但仍是比30-40米级地上望远镜的视场大得多。

罗曼勘探系外行星的根由刚好能够追溯到南希·罗曼自己。1959年,南希·罗曼就在论文中主张用望远镜上的装备的星冕仪来遮挡恒星光辉,直接铠甲系外行星。她还于上世纪80年代前期提出:空间望远镜能够用天体测量学的办法勘探到木星巨细的系外行星。这两个设想后来都被哈勃完结了。南希·罗曼很或许是第一个提出用空间望远镜观测系外行星的人。

罗曼的科学方针

罗曼上面的宽场设备与星冕仪的科学方针简直彻底不同,只要很少一部分的穿插。

宽场设备的科学方针主要有:

○ 勘探世界中各种间隔上迸发的Ia型超新星,在其使命周期内,罗曼能够勘探到约2700颗各种间隔上的Ia型超新星,最远抵达156亿光年,它们宣布的光穿行98亿年才抵达地球。

依据这些不同间隔处Ia型超新星的间隔,天文学家能够计算出世界的胀大速度,得到世界的胀大前史。

结合罗曼发现的Ia型超新星得到的成果与重子声波振动等办法得到的成果,天文学家还能够确认出几个重要的世界学参数,更好地约束暗能量的性质,确认世界的曲折程度。

○ 观测很多星系与类星体。由于其极高扫描功率与极强的采光才能,罗曼在其使命期间将铠甲到几十亿个星系,其间有4亿个星系会被确认形状,2千万个星系会被收集到光谱。

特别是,罗曼将大批量发现世界年纪小于8亿年乃至小于5亿年时的星系。此前哈勃的多个“深场”项目现已发现一些年青世界中的星系。罗曼的视界比哈勃上的相机至少大100倍左右,因而能够发现的年青世界中的星系的数目是其时已知的上百倍。

对不同时期的星系的研讨,将协助人们进一步了解星系的演化规则。

○ 观测很多星系团。星系团由很多星系集合而成。罗曼能够勘探到大约4万个大质量的星系团,得到这些星系团的大标准散布特征。

天文学家依据罗曼取得的星系团与星系的数据,研讨模糊在星系与星系团内部的暗物质的散布特征以及相关的“引力透镜”现象,从而确认出世界的大规模结构及其演化规则。

○ 观测各类“暂现源”。所谓的暂现源,便是亮度快速改变的源,如恒星或白矮星爆破导致的超新星、中子星与中子星/黑洞并合后发生的千新星,等等。通过研讨这些重要的暂现源,人们能够深化了解恒星的演化规则。

○ 观测银河系与近间隔星系内的恒星、恒星遗址与褐矮星。

哈勃 CANDELS 项目观测到的超新星之一,将来罗曼也将发现更多各种类型超新星 | 来历:NASA/ESA, HST

○ 运用“微引力透镜”现象勘探2平方度天区内的系外行星。这个区域的巨细大约是满月的7倍。

微引力透镜发现系外行星的原理是:恒星的引力会扩大更远处恒星的亮度,而随同恒星的行星对星光的亮度的扩大效果会进一步扩大星光亮度。

当充任“透镜”的恒星通过望远镜与远处恒星的连线时,透镜恒星使远处星光的亮度继续改变,构成一条宽的亮度演化曲线,紧接着通过连线的行星会在远处星光的曲线上叠加一个尖峰。依据尖峰的亮度,可计算出行星的质量。

运用微引力透镜勘探系外行星的原理,图中黄色代表远处恒星,中心白色圆为“透镜恒星”,灰色圆为跟从者透镜恒星的行星。透镜恒星通过远处恒星与望远镜之间的连线的前后,远处星光的亮度改变构成一个宽峰;恒星带着的行星通过连线前后,使远处星光的亮度改变多出一个尖峰,这个尖峰能够用来判别系外行星的存在并计算出它的质量| 来历:Paul Hertz, WFIRST-AFTA Science Definition Team Final Report

○ 观测太阳系内天体,如矮行星、彗星、小行星。

星冕仪的科学方针有:

○ 用直接成像法观测至少几十颗系外行星。运用星冕仪观测到的数据,天文学家能够研讨这几十颗行星的大气的温度、云层中的钠与钾的谱线特征,确认出这些元素的含量、行星的重力与质量。

帕洛玛天文台的508厘米口径的海尔望远镜用直接成像法拍出的环绕恒星HR 8799作业的3个系外行星的像。恒星宣布的光现已被星冕仪遮挡,用绿色叉表明 | 来历:NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

在观测系外行星方面,罗曼的才能比哈勃强壮得多,并能够与现已退役的系外行星猎手开普勒望远镜与正在执役的凌星系外行星巡天卫星取得的系外行星的数据互补。

咱们能够发现,宽场设备与星冕仪在系外行星范畴发生了穿插。据估计,在罗曼履行使命期间,它能够发现大约2600颗系外行星,其间有370个系外行星的质量约等于或小于地球的质量。

在上面的基础上,天文学家能够筛选出那些坐落答应液态水存在并或许开展出生命的区域的系外行星。这关于搜索外星生命具有重要含义。

与哈勃、韦伯比较,罗曼优势安在?

哈勃在曩昔30年拍下了很多震撼人心的美图,但却很少铠甲近间隔的星系的全景,这是由于近间隔星系在天空中的视角远大于哈勃上的仪器的视角,需求屡次逐块铠甲才能够拼接出全景图。

咱们在上面现已简略比照了罗曼与哈勃的视场巨细。这儿无妨用几个十分重要的项目来进一步比较它们在扫描世界时的功率。

咱们先看看它们在铠甲仙女座星系时的功率。“全色哈勃仙女座星系瑰宝”项目组曾用哈勃铠甲仙女座星系的星系盘区域的三分之一。为完结这个方针,项目组用哈勃逐块铠甲了很多相片,终究拼接了432个收集区域,得到一个大规模的相片。

图中锯齿状边际围住的区域由哈勃望远镜铠甲的432的收集区域拼接得到,整个M31的相片为R. Gendler用地上望远镜所铠甲 | 来历:Credit: NASA, ESA, J. Dalcanton, B. F. Williams, L. C. Johnson, the PHAT team, and R. Gendler

咱们运用罗曼的宽场相机铠甲仙女座星系,只需求2个收集区域就能够掩盖哈勃望远镜PHAT项目432个收集区拼接后掩盖的区域,其观测功率更是抵达哈勃的1475倍。

哈勃PHAT项目铠甲的区域需求拼接哈勃WFC3红外通道铠甲的432片区域,但罗曼望远镜只需求拼接其铠甲到的2块区域就能够掩盖 | 来历:https://roman.gsfc.nasa.gov/about.html

与哈勃履行的其他闻名的瑰宝等级项目比较,在确保相同观测质量的条件下,罗曼的功率也十分惊人。比方,它比COSMOS 项目快125倍,比CANDELS-Wide项目快1050倍,比3D哈勃项目快730倍,比FIGS项目快750倍。

比起哈勃,罗曼望远镜也有一块短板:它的宽场照相机只铠甲部分可见光与红外光,而不能铠甲紫外线与蓝紫光。不过,必定间隔之外的天体宣布的紫外线与蓝紫光在向地球传达的过程中会被拉长为绿、黄、红与红外线。因而,罗曼能够观测远处的天体宣布的部分紫外线与蓝紫光,以及一切间隔的天体宣布的绿、黄、红光与红外线,但无法观测近间隔天体宣布的蓝紫光与紫外线。

作为比照,哈勃从一开端就能够观测任何近间隔的天体宣布的紫外线、可见光与直到850纳米的近红外线;通过几回晋级后的,曩昔十几年来哈勃能够观测的光的波长延展到2000多纳米。

罗曼与哈勃、韦伯比较,各有优势。

韦伯的主镜是口径为6.5米的拼接式镜面,比口径为2.4米的哈勃的主镜大得多,意图是看得比哈勃更远。更远的物体宣布的光被拉得更长,为了观测到它们宣布的可见光——它们在抵达地球上时现已被拉到中红外,韦伯的观测波长规模延展到28300纳米,比只能观测到近红外的哈勃和罗曼的波长规模大得多。

在NASA的戈达德飞翔中心安装的韦伯的主镜面,留意地上上的作业人员,他们能够反衬出韦伯的巨大标准 | 来历:NASA Goddard Space Flight Center

罗曼的主镜是口径为2.4米的单块镜面,与哈勃主镜相同大,但其“视界”却别离大约是哈勃上的两个照相机的200倍或100倍,它的意图是比哈勃看得更广。

韦伯望远镜上的近红外照相机的视场与哈勃差不多,因而也远小于罗曼的宽场设备的视场。由于这个原因,罗曼的红外巡天观测才能是无可代替的,它能够为韦伯寻找出十分有价值的方针,让韦伯进行后续观测,因而是韦伯的重要合作伙伴。

南希·罗曼诞辰百年时,望远镜能够顺畅升空吗?

罗曼望远镜其时的预算是39亿美元,尽管小于韦伯的100亿美元预算,但依然是一个天文数字。考虑到尔后各种原因导致的预算添加,即便罗曼能够作业10年,它每年也要耗费至少3.9亿美元,相当于每天至少107万美元,每小时至少4.5万美元。也由于费用昂扬,其时仍是被叫做WFIRST的罗曼差点于2018年被撤销,终究有惊无险地躲过一劫。

咱们没有意外,罗曼将在2025年被发射升空,那一年刚好是南希·罗曼诞辰100周年。

被选来发射罗曼的火箭是德尔塔-4重型火箭,这是当今世界上推力第二大的火箭,仅次于猎鹰9号重型火箭。这款火箭耗资巨大,每发射一次的费用超越4亿美元。它从2004年开端履行发射使命,从2011年开端发射NRO的锁眼-11号卫星。NASA的猎户座飞船与帕克太阳勘探器也由这款火箭发射升空。至今停止,这款火箭共发射过11次,除初次发射“部分失利”——未将卫星送入足够高的轨迹——之外,后边10次发射都取得成功。

2013年8月23日,在范登堡空军基地起飞的德尔塔-4重型火箭,里边搭载着NRO的侦办卫星锁眼-11系列的第16颗卫星 | 来历:U.S. Air Force/Joe Davila

与坐落500多千米高度的轨迹的哈勃不同,罗曼与地球的间隔大约为150万千米,比哈勃远得多。切当说,它坐落太阳-地球体系的“外拉格朗日点”L2,并在这个点绕着一个特别轨迹摇晃。这个区域有很多正在运转与现已结束使命的航天器,预定于2021年发射的韦伯也坐落这个区域。

在这个区域,罗曼在太阳引力与地球引力的一起效果下,跟从地球环绕太阳转。由于间隔地球如此悠远,即便是在航天飞机年代,也无法像修理哈勃那样派宇航员到那里修理它。

与其他红外望远镜相同,罗曼的寿数取决于带着的制冷剂的耗费速度。制冷剂下降整个望远镜的温度,尽量削减其本身宣布的红外线,下降本身的红外线“噪声”对望远镜观测的搅扰。依照方案,罗曼抵达指定区域之后,将会运转5年。咱们状况杰出,或许还会延伸5年寿数。

咱们希望“100个哈勃”——罗曼——能够在2025年按期升空运转,为人类带来更多绝美的太空图,也协助人类破解世界中的万物与世界本身的更多奥妙。

撰文 | 王善钦

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