NASA的新旗舰太空观测站——南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）现已安装到其猎鹰重型（Falcon Heavy）火箭上，准备启程去揭开宇宙的秘密。在L2拉格朗日点的高处，它将与詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）和欧洲空间局的欧几里得（Euclid）天文台一起，利用红外光穿透尘埃，回望过去。

历史

像大多数NASA旗舰科学任务一样，罗曼的起源可以追溯到国家科学院（National Academies）的十年调查（Decadal Surveys）之一。2010年，焦点集中在暗能量和宇宙膨胀历史上，因此调查建议NASA建造广域红外巡天望远镜（WFIRST）。NASA开始工作后，决定WFIRST将是一台小型望远镜，镜面直径为1.1或1.3米，而欧几里得的镜面为1.2米。根据设计选项的不同，任务持续时间可能短至三年。虽然它将避免韦伯的问题，但当欧几里得本身只是中型任务时，称其为旗舰任务是有争议的。

2012年，国家侦察办公室（National Reconnaissance Office）通知NASA，他们有两套2.4米光学系统不再需要，如果NASA想要，他们愿意免费赠送（不包括运输和存储费用）。其中一套被赠予WFIRST以增强其能力，使其成为真正的旗舰级任务。这个版本将拥有几乎两倍清晰的图像，并能更深入地凝视其巡天区域。2015年，该版本的任务进入全面开发阶段，并于2020年更名为南希·格雷斯·罗曼太空望远镜。

该任务于2021年9月通过了关键设计审查，允许飞行硬件的生产、组装和测试继续进行。主要航天器集成在2024年至2025年间完成，随后进行了声学、热和振动测试，并于2026年7月运往肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center）准备发射。

科学计划

罗曼是一台巡天望远镜，这意味着总的来说，天文学家不会写提案来请求观测时间，而是会请求资金来分析和发现现有数据。只有在相对罕见的情况下，个别提案才会导致新的观测。这在天文学中并不罕见，是巡天望远镜通常运作的方式，但与哈勃（Hubble）和韦伯等太空望远镜不同。

罗曼在5年主要任务期间的观测日程将由天文学界在发射前几年预先定义的巡天所主导。这五年中75%的观测时间将用于三项核心社区巡天，其余25%用于额外的社区定义的一般天体物理巡天。

构成罗曼前五年主要工作的三项核心社区巡天是：银河系核球时域巡天（Galactic Bulge Time Domain Survey）、高纬度时域巡天（High Latitude Time Domain Survey）和高纬度广域巡天（High Latitude Wide Area Survey）。社区领导的定义委员会被组建来定义观测策略和区域，其结果由罗曼观测时间分配委员会（ROTAC）审查。ROTAC报告的建议将指导罗曼项目和太空望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute）在前五年的详细观测调度。

核心巡天

银河系核球时域巡天是迄今为止最小的巡天，但同样重要。它由五个罗曼视场拼接而成，这些视场在银河系中心附近首尾相连，另外第六个视场位于银河系正中心。由于需要将望远镜保持在太阳帆板后面并避免阳光直射，它每年只能在两个季节观测银河系核球，每个季节约72天。

该巡天的主要目的是通过微引力透镜探测和分类系外行星，包括自由漂浮的流浪行星。它还将能够探测微引力透镜恒星和黑洞，通过星震学测量恒星质量，并通过凌星法探测超过10万颗系外行星。微引力透镜发生在从我们的视角看，一颗恒星从另一颗恒星前面经过时，其引力扭曲光线，导致背景恒星看起来变亮。如果透镜恒星恰好有行星伴星，它们也会影响背景恒星的光线，导致其光变曲线出现可检测的畸变。微引力透镜对更遥远的行星比凌星巡天（如开普勒和TESS任务）更敏感，并且能够探测到距离宿主恒星1-100天文单位的低质量行星。

巡天区域的“分裂”性质是由于银道面的高尘埃含量导致严重的“消光”，即光散射或红化，降低了微引力透镜信号的可见性。将巡天移到银道面以南可以解决这个问题，但一个视场保持在银河系中心，以观测人马座A（Sagittarius A）周围，即银河系中心的超大质量黑洞。

高纬度时域巡天将在罗曼主要任务的中期进行，为期两年。它将在巡天期间每5天进行一次成像和光谱观测，覆盖宽层和深层。每一层都包括天赤道上方和下方的区域，位于罗曼的连续观测区（即罗曼在一年中的任何时候都可以安全指向的区域）。该巡天的主要目的是探测Ia型超新星，这是宇宙学中使用的主要“标准烛光”。通过绘制它们的亮度和红移，宇宙学家可以提高他们对宇宙如何随时间膨胀的模型的精度和确定性，这有助于确定暗能量可能是什么。罗曼可以观测到从地面不易看到的Ia型超新星，从而显著改进我们的超新星目录。

关于罗曼将如何研究暗能量的更深入探讨，请观看NASA戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）制作的这段视频：

观测超新星并绘制其亮度随时间变化的需求也使该巡天成为发现其他瞬变事件的绝佳工具，例如千新星、核心坍缩超新星、潮汐瓦解事件，以及活动星系核等变源。

高纬度广域巡天也探测宇宙的膨胀，但还研究宇宙大尺度结构的起源和演化。通过对数百万个星系进行成像并测量其距离，覆盖广泛的年龄范围，可以绘制宇宙生命周期中正常物质和暗物质之间的关系。该巡天的中层可以看到比在无光污染区域肉眼可见物体暗约1.58亿倍的物体。宽层和中层覆盖了鲁宾天文台（Rubin Observatory）的时空遗产巡天（Legacy Survey of Space and Time）所成像的部分区域，并与DESI暗能量巡天部分重叠，大大增强了所有相关望远镜的科学价值。

高纬度时域巡天的南场与欧几里得深场南（Euclid Deep Field South）重叠，这是两个任务之间许多有意协同之一。图片来源：ROTAC最终报告

一般巡天

这些核心社区巡天总共分配了任务观测时间的大约75%，其余25%保留给一般天体物理巡天，通过定期征集提案进行选择。这个过程类似于哈勃、韦伯和世界上大多数通用望远镜使用的一般观测者系统。这相当于389天，将在2026年至2029年间提议和选择的至多30个额外巡天计划中分配。

从第一批提案中选出的巡天包括多次绘制仙女座星系（Andromeda）和三角座星系（Triangulum）的地图，重新观测完整的开普勒视场，一个极深场，以及多个银河系巡天以更好地了解其历史。其中一项银河系巡天是银道面巡天（Galactic Plane Survey），它将研究几乎所有主要的天文学类别，包括瞬变事件、恒星生命周期、系外行星和黑洞。

仪器

罗曼的主相机是广域仪器（Wide Field Instrument）。它将执行所有巡天观测，无论是成像还是光谱。传感器模块由18个4096×4096像素的H4RG探测器组成，总计超过3亿像素。像大多数科学相机一样，WFI探测器本身无法区分不同颜色。该仪器配备了一个光学元件轮，使其能够通过不同滤光片拍摄同一场景的图像，然后可以着色并叠加以生成最终图像。该轮装有七个宽带滤光片（允许相对较宽的波长范围通过），一个宽滤光片（允许探测器能看到的几乎所有波长通过），一个用于噪声校准的不透明元件，以及两个用于光谱的色散元件（一个棱镜和一个光栅，或组合光栅和棱镜）。

虽然不是主要科学仪器，罗曼还携带了日冕仪（Coronagraph Instrument, CGI）作为技术演示。日冕仪是一种特殊类型的相机，它阻挡恒星的光，使恒星附近较暗的结构或物体可见，在这种情况下，可以成像潜在的系外行星或围绕它们运行的物质盘。由于在几乎任何望远镜中，所有恒星都是点状光源，无论多大，简单地在相机视场中心放置一个不透明圆盘是不够的。

罗曼的日冕仪必须能够成像比其母星暗至少1000万倍的物体。这只有通过几项技术增强才能实现，例如大型可变形镜和主动波前传感/控制，就像大型地面天文台的自适应光学中使用的那样。有关这些技术如何帮助的更全面演示，请观看NASA制作的以下视频：

除了可变形镜、掩模和光阑外，天文台本身也可以用来提高图像质量。通过保持指向同一目标的同时滚动望远镜，可以消除大部分传感器噪声，这被称为角差分成像（Angular Differential Imaging）。这种技术，特别是当与首先观察一颗无行星的参考星以允许地面团队减去大部分传感器噪声相结合时，显著提高了最终结果的清晰度。

arXiv:2309.16012

罗曼还设计为可维修的。它可以加油，航天器电子设备（计算机、反作用轮、通信等）已设计为可由机器人维修航天器拆卸和更换，也许类似于诺斯罗普·格鲁曼（Northrop Grumman）的任务机器人飞行器（Mission Robotic Vehicle）。虽然不太明确，但仪器本身也有可能被更换。不过，可能还需要一段时间才会有维修任务，因为罗曼有足够的燃料维持十年。

接下来是什么？

即使在罗曼准备发射的同时，为下一步所做的准备工作也在进行中。自2023年以来，下一代旗舰太空望远镜——宜居世界天文台（Habitable Worlds Observatory, HWO）的工作一直在进行中。虽然它旨在用于广泛的天文学主题，但主要驱动目标是成像和表征25颗围绕类日恒星的类地系外行星。从10秒差距外对地球成像需要比罗曼日冕仪理论能力好1-2个数量级的日冕仪对比度。罗曼日冕仪的架构和技术在理论上能够达到该性能，主要限制因素是望远镜本身以及视场的大部分被副镜和支架遮挡的事实。离轴副镜，HWO目前非常倾向于采用，将显著增加其发现潜力，以及6-8米宽的主镜。

仍有大量工作要做，因为完整的仪器将需要更多的科学模式、更宽的波长范围，并且具有更大的余量和效率才能有用。这是技术发展计划的核心焦点之一，并被视为任务的关键，目前正在推进成熟度和测试平台。

总而言之，就像2021年韦伯发射时一样，我们正处于新发现和令人惊叹的图像激增的边缘。罗曼计划于美国东部时间8月31日星期日上午7:26发射，可以在NASA YouTube频道（链接）上观看直播。