NASA的新太空望远镜即将揭示宇宙的隐藏面貌

# NASA新太空望远镜即将揭示宇宙的隐秘面纱 来源：https://www.wired.com/story/nasa-nancy-grace-roman-space-telescope-hidden-facets-of-universe/ 数十年来，天文学家一直知道一种不可见物质弥漫于宇宙中。这种仅通过其对可见物体的引力影响才被探测到的物质——暗物质（https://www.wired.com/tag/dark-matter/）——约占所有物质的85%，它以巨大的球状结构包裹着整个星系，这些结构交织延伸，构成了宇宙的脚手架（https://www.wired.com/story/cosmic-voids-might-contain-universes-best-secrets/）。 但这一宏伟架构的具体细节仍笼罩在神秘之中。在一种被科学家称为暗能量（https://www.wired.com/story/dark-energy-weakening-major-astrophysics-study-finds/）的幽灵般力量的驱动下，宇宙不断变化，持续以加速的速率膨胀（https://www.wired.com/story/the-biggest-controversy-in-cosmology-just-got-deeper/）。 一台新的太空望远镜最早将于8月30日从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，它将尝试解开这些星系间暗物质现象的本质。拥有哈勃望远镜的分辨率且视场大约大100倍，南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（https://science.nasa.gov/mission/roman-space-telescope/）将提供一种全新的宇宙观测方式，有望帮助解决天体物理学中的一些重大问题。 “像罗曼这样的天文台本质上就是一台发现机器，”NASA太空望远镜高级项目科学家朱莉·麦克纳里（https://science.gsfc.nasa.gov/sci/bio/julie.e.mcenery）说道。“我们将发现珍稀的、不寻常的、崭新的、令人惊奇的事物。” 在为期五年的主要任务期间，罗曼将绘制大片天区图，以全面了解星系和暗物质，帮助科学家理解宇宙中最庞大的结构如何随时间演变。这台以NASA首任首席天文学家（https://science.nasa.gov/people/nancy-roman/）命名的望远镜，将通过测量引力引起的光线微弱畸变来追踪天体物理结构，使科学家能够研究暗能量如何驱动宇宙演化。 “我们不是在测量宇宙中某物的属性，”麦克纳里谈到这项工作时说，“我们是在理解我们所在宇宙的根本运作方式。” 罗曼敏锐而广阔的视野预计还将捕捉多达20万颗新行星，这相比目前已确认的大约6300颗系外行星（https://www.wired.com/story/search-for-earth-like-planet-step-forward/）是一个巨大的飞跃。望远镜将通过观测行星遮挡其宿主恒星部分光线来发现其中大部分世界，但其高灵敏度还将使其能够通过测量行星对星光的引力效应来探测另外约1000颗行星。 鉴于该太空望远镜强大的分辨率和广阔的观测范围，无人能确切预料它还会发现什么。 “罗曼最激动人心的科学发现，”麦克纳里说，“很可能正是我们目前甚至无法想象的东西。” ## 全新世界 在很多方面，罗曼将成为詹姆斯·韦布空间望远镜（https://www.wired.com/story/james-webb-space-telescope-changing-astronomers-universe/）的伙伴。两者主要观测红外光，与韦布类似，罗曼将环绕一个距离地球近百万英里、称为拉格朗日点2的空间点运行，在那里望远镜可以有效阻挡来自太阳、地球和月球的光线。 但韦布的设计是为了深入窥探宇宙深处，而罗曼则将采取广阔的视角。 “如果考虑詹姆斯·韦布空间望远镜的工作，它针对观测非常遥远的宇宙进行了优化……但仅针对天空中极小的一块区域，”卡内基梅隆大学的天体物理学家雷切尔·曼德尔鲍姆（https://www.cmu.edu/physics/people/faculty/mandelbaum.html）说。“相比之下，罗曼能够同时观测大片天空。” 这种广阔的视野将使罗曼能够搜寻数亿颗恒星以寻找行星。与之前的任务类似，这台空间天文台将主要通过寻找凌星行星来发现目标。这是一种寻找具有短周期的大型行星的高效技术，但为了寻找不同类型的世界，罗曼将使用另一种被称为微引力透镜的技巧。 当两颗恒星前后排列成一直线时，背景恒星的光线会被前景恒星的引力扭曲和放大。如果那颗前景恒星恰好有一颗行星，罗曼将能够探测到该行星的引力如何进一步放大其后方的星光。 “这种方法可以探测到比其他方法所探测的行星距离其恒星更远的行星，”路易斯安那州立大学的系外行星研究员马修·彭尼（https://www.lsu.edu/physics/people/faculty/penny.php）说。“你不需要等待行星完成整个轨道周期才能看到它。” 罗曼对这些微引力透镜效应非常敏感，它应该能够探测到质量小于水星的行星。它还将有能力发现自由漂浮的“流浪”行星（https://www.wired.com/story/these-rogue-worlds-upend-the-theory-of-how-planets-form/），这些行星可能被其恒星抛离，或是在虚空中独自形成。 通过研究这些新发现的行星群体，科学家可以更多地了解可能产生像我们太阳系这样的系统、以及进而产生像地球这样孕育生命的行星的条件。 “我们的太阳系可能相当独特，尽管我们目前并不真正清楚，”彭尼说。“太阳系中存在许多潜在的幸运巧合，使得生命成为可能。” 探索行星系统的外围区域将为这个谜题提供关键缺失的部分。例如，彭尼说，距离恒星更远的地方形成大型行星，可能允许较小的行星在更靠近的地方形成，即在可能形成液态水的宜居带附近。 “如果没有对整个可能行星范围的完整普查，我们并不真正知道像地球这样的行星有多常见，”彭尼说，“或者像我们这样的行星系统有多常见。” ## 黑暗宇宙 除了众多新世界，罗曼的目光还将投向超过十亿个星系。特别是，它将重点关注大爆炸后约20亿至60亿年间的星系群。 “我们试图研究的事情之一是宇宙结构的历史和增长，”曼德尔鲍姆说。“在非常早期的宇宙中，物质几乎是均匀分布的。但存在着微小的扰动或微小的区域，其密度仅略微高一点或低一点。” 随着时间的推移，那些密度稍高的区域吸引了越来越多的物质，最终形成了科学家称为暗物质晕的巨大团块。气体随后被驱入这些暗物质晕的中心，在那里点燃了恒星，这些恒星旋转汇聚形成了星系。 罗曼将创建一幅极其详细的可见星系地图，并将使用一种称为弱引力透镜的技术以前所未有的精度绘制暗物质的分布图。 “任何时候，当我们观测到来自一个星系的光线，它必须穿过宇宙——包括各种结构——到达我们这里时，该光线的路径会受到轻微扰动，”曼德尔鲍姆说。 通过比较来自许多星系的这些受扰动的光线，科学家可以追踪围绕和连接星系团的暗物质宇宙网。将罗曼生成的地图与对早期宇宙的观测结果进行比较，将使科学家能够研究事物随时间发生了怎样的变化。 “我们试图回答关于宇宙的根本性问题，而这最终被证明是极其困难的，”曼德尔鲍姆说。“我们需要像罗曼这样真正强大的天文台。” ## 应对宇宙之谜 近年来，宇宙学研究中出现了三个显著的异常现象。第一是宇宙今天的膨胀速度（https://www.wired.com/story/the-biggest-controversy-in-cosmology-just-got-deeper/）比基于大爆炸后不久条件的模型所预测的要快。第二是宇宙物质的分布（https://www.quantamagazine.org/clashing-cosmic-numbers-challenge-our-best-theory-of-the-universe-20240119/）比预期的更加均匀。 第三个是亚利桑那州的暗能量光谱仪（DESI）最近令人惊讶的发现，表明驱动宇宙膨胀的暗能量可能正在随时间意外减弱（https://www.wired.com/story/dark-energy-weakening-major-astrophysics-study-finds/）。 科学家称之为“张力”的这三个异常，各自都指向标准宇宙学模型可能遗漏关键细节的领域。 “这有点诱人，因为有迹象表明有些东西非常不对劲，”麦克纳里说。 对于这些未解之谜中的每一个，罗曼都将提供宝贵的数据。关于宇宙的膨胀速率，预计该太空望远镜将捕捉到数万次超新星爆炸，比迄今为止观测到的次数多几倍。某些超新星可用于测量当今的宇宙膨胀速率，这意味着罗曼将使研究人员能够更精确地计算出这个值。 该天文台绘制的大尺度结构地图也将让研究人员更好地了解宇宙的物质分布或“团块性”。而它对暗物质引力效应的测量将提供一幅关于这些结构如何随时间增长的详细图景，使科学家能够检验暗能量的强度是否真的如DESI所暗示的那样在变化。 如果确实如此，“我们几乎可以肯定能够证实他们的发现，因为这恰恰是我们设计要做的事情，”麦克纳里说。 罗曼广阔的宇宙视野将揭示无数新的细节，随着科学家们将这巨大的谜题拼凑起来，他们可能会彻底改变我们对宇宙学的理解。 “我们在上世纪通过量子力学的发展和基本粒子的发现在极小尺度上取得了重大突破，”麦克纳里说。“也许这个世纪将是理解极大尺度的世纪。”