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，但它的视野是哈勃的第三代宽场照相机（WFC3）的红外拍摄模式的视野的大约200倍，是哈勃的高级巡天照相机（ACS）视野的大约100倍，并且成像质量不逊色于哈勃，因此被称为?100个哈勃?。它有什么?黑科技?，又有什么样的科学目标？本文带你走进罗曼空间望远镜的前世今生，领略它的强大。

如果要评出当今世界上最著名、最有影响力的天文望远镜，那一定是美国国家航空航天局（NASA）与欧洲航天局（ESA）拥有的哈勃空间望远镜（简称?哈勃?）。在过去30年的时间里，哈勃获得了海量的珍贵数据与美图，重塑了过去30年人类对宇宙万物与宇宙自身的认知。

但NASA并不满足于哈勃获得的成就。为了进一步破解宇宙万物的奥秘，NASA规划了多个未来的空间望远镜，其中与哈勃同类的主要有詹姆斯?韦伯（James Webb）空间望远镜（简称?韦伯?）与南希?格蕾斯?罗曼（Nancy Grace Roman）空间望远镜（简称?罗曼?）。

在之前的文章（参见《哈勃望远镜之母：空间天文学领域的?灭绝师太?》）中，我们介绍了?哈勃之母?南希?格蕾斯?罗曼（Nancy Grace Roman，1925-2018）的生平与成就。在这篇文章中，我们将介绍以她来命名的空间望远镜的前世今生，它上面的仪器、它的科学目标与其他一些重要信息。

罗曼的前世：锁眼-11号卫星的黑科技

罗曼的故事要从锁眼-11号（KH-11）卫星说起。

锁眼系列卫星是美国侦察局（NRO）研制的侦查卫星，其功能就是拍摄地面上的军事目标，因此它们本质上是空间望远镜，只是它们是在太空中对着地面拍照，而不是对着星空拍照。

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（Titan III-D）火箭送上太空的第一颗锁眼-11号卫星具有重要的转折意义：它是世界上最早采用电荷耦合器件（CCD）替代传统底片并用无线电信号传输数据到地面的航天器。

锁眼-11号结构的艺术想象图，图中分别标出了推进器（Thruster）、航天电子设备（Avionics）、高分辨率相机（High-Resolution Camera）、中继天线（Relay Antenna）、燃料箱（Fuel Tank）、主镜面（Primary Mirror）与副镜（Secondary Mirror） | 来源：Trendsbuzz.com

这个模式直接影响了此后哈勃的设计：设计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更换?如果是这样，现在哈勃的海量精美照片是别指望了。锁眼-11号改变了这一切。锁眼-11号卫星成功使用CCD拍照与无线电数据传输模式后，加州理工学院的科学家与工程师在设计?宽场与行星照相机（WFPC）?时也采用了CCD成像模式与无线传输模式。

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 | 来源：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一样。这绝不是巧合。

当年NASA设想的大型空间望远镜（即后来的哈勃）的口径为3米，后来因为预算太高而被卡了。为降低预算，NASA经过评估，最后决定将望远镜的口径减小到2.4米。

为什么要降低到2.4米？因为锁眼-11号的主镜面口径是2.4米，容纳这个主镜面的飞船系统是由洛克希德（Lockheed）公司根据这个尺寸定制。如果哈勃采用2.4米的主镜面，洛克希德公司就可以直接制造容纳这么大的镜面的飞船。如果用其他尺寸，洛克希德就要重新设计不同尺寸的飞船后再制造，而这将推高预算。这使得哈勃的主镜面口径最终被定为2.4米。

此前网上有人说哈勃的主镜面是当年锁眼-11号不用的主镜面，这是错误的说法。哈勃的主镜面是由柏尔金-埃尔默（Perkin-Elmer）公司磨制的，而锁眼-11号的主镜面由埃克斯利斯（Exelis）公司制造。此外，锁眼卫星的镜面磨得深，而哈勃的镜面磨得浅得多。

尽管主镜面来源不同，但哈勃太空船系统、CCD拍照、无线电数据传输模式（包括数据中继卫星的使用）甚至总重量都与锁眼-11号高度相似。

2009年，维修之后被重新放回太空的哈勃 | 来源：NASA

随着技术的发展，NRO发展出更强更大的主镜面，有两个2.4米的主镜面还没被使用就被判定为?落伍?，然后就被搁在无尘室内，每个月消耗10万美元的保管费。作为对比，当年哈勃放在无尘室时每月消耗600万美元的保管费。

罗曼的今生：从1.3米到2.4米的跃变

两块?落伍?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密切关联的空间望远镜项目启动了?联合暗能量任务（Joint Dark Energy Mission），缩写为JDEM。

这个项目由NASA与美国能源部（DOE）联合出资开发，用以探测神秘的?暗能量1998年，两个互相竞争的小组发现宇宙在几十亿年前开始加速膨胀，后来科学家将推动宇宙加速膨胀的神秘力量称为暗能量。

根据规划，用以研究暗能量的JDEM的主镜面的口径是1.3米，里面只有一个仪器，由成像器与光谱仪构成。2010年，美国研究委员会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的工作人员突然打电话给NASA的一个负责人，说要赠送2块2.4米的主镜给NASA。前提是只能用于空间项目之上。NRO如此慷慨的原因似乎是不想继续为这两块镜面付保管费，但实际上如果将这两块镜面拿去卖，不仅照样不用支付保管费，还可以卖个相当好的价钱。所以NRO送镜面给NASA，颇有?宝剑赠英雄?的意味。

对于这个送上门的两块镜面，NASA自然异常惊喜。经过研究讨论，NASA决定将其中一块镜面安装到JDEM 之上，替代原来计划安装的1.3米口径的主镜面。这个变更，使JDEM的采光能力变为此前预期的3.4倍，而且其成像品质可以与哈勃持平。

差不多同时期，JDEM项目的名称被改为?宽场红外巡天望远镜-天体物理导向望远镜资产?，英文缩写为WFIRST-AFTA。2016年，WFIRST-AFTA被NASA正式立项。同年，项目名称中的AFTA被省略，简称为WFIRST。

这一时期，WFIRST的项目负责人是著名的高能天体物理学家尼尔?格勒斯（Neil Gehrels，1952-2017），他曾经主持NASA的多个非常重要的空间望远镜项目?康普顿伽玛射线天文台（CGRO）、雨燕（Swift）卫星等，具有非常丰富的空间望远镜项目管理的经验。2017年，格勒斯因胰腺癌病逝，杰弗雷?克鲁克（Jeffrey Kruk）成为WFIRST项目负责人。

2020年5月20日，NASA宣布将WFIRST改名为?罗曼空间望远镜?（?罗曼?）。

罗曼的主镜面是当年为锁眼-11号卫星定制的。它本来被预期用于观测地面目标，因此焦距比哈勃主镜的焦距短得多。因此，它也比哈勃的主镜面磨得深得多。我们可以这么直观理解：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，罗曼的视野比哈勃的视野大得多：哈勃上的相机要拍摄一两百次才可以拍完的天区，罗曼上的相机一次就可以拍完。

因为焦距短，装载罗曼的飞船也比装载哈勃的飞船短得多，因此罗曼被人们戏称为?矮壮版哈勃?。在横截面几乎一样时，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，接近罗曼望远镜质量的3倍。罗曼的飞船由哈里斯（Harris）公司制造，这个公司在2015年与制造出罗曼主镜面的埃克斯利斯公司合并。

罗曼的两大设备：宽场设备与星冕仪

望远镜的主镜面只负责采集光线，要进行科学研究，还需要使用各种仪器来接收主镜面搜集到的光，比如各种滤光片与光谱仪。与罗曼望远镜的主镜面配合的仪器有两个。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，其中右侧淡黄色箭头所指为宽场设备的结构图，左侧白色箭头所指为星冕仪 | 来源：Neil Gehrels, Kevin Grady

宽场设备是罗曼上面用来进行大范围（?宽场?）观测的设备。它由两套部件构成。其中，第一套部件是一个照相机与配套的7个滤光片。其中，照相机由18个CCD探测器拼接而成，总像素达到2.88亿。7种滤光片的观测波长的范围从480纳米到2000纳米，可以观测绿、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。光谱仪将天体发出的光分解为多种颜色，仿佛彩虹?这就是光谱，用来分解光、得到光谱的仪器就是光谱仪。这两个光谱仪分别是棱镜光谱仪与棱栅光谱仪。棱镜光谱仪的分光工具是一个棱镜，棱栅光谱仪的分光部件是一个棱栅?将棱镜的一侧刻出大量条纹、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范围从600到1800纳米，对应红色到近红外线范围；棱栅光谱仪观测的波长范围从1000到1930纳米，在近红外线范围。

罗曼上面的宽场设备的结构图，其长、宽、高分别是2.75米、1.85米与1.29米 | 来源：Neil Gehrels, Kevin Grady

宽场设备的照相机单次观测范围是0.281平方度，相当于满月在天空中占据的大小，是哈勃的第三代宽场照相机（WFC3）的红外通道单次观测范围的约200倍，是哈勃的高级巡天照相机（ACS）单次观测范围的约100倍。

罗曼的视场与哈勃以及韦伯上面的相机的视场的对比。图中***有18个白色边框区域，对应罗曼的18个CCD探测器的视场，图下方从左到右分别是哈勃的ACS、哈勃的WFC3与韦伯的NIRCAM的视场大小。 | 来源：Wide-Field InfraRed Survey Telescope- Astrophysics Focused Telescope Assets WFIRST-AFTA 2015 Report by the Science Definition Team (SDT) and WFIRST Study Office

因此，罗曼非常适合用来对宇宙进行扫描式观测。根据设计，它每5天就可以重新扫描到天空中几十平方度内的任意目标。几十平方度是满月区域的上百倍，是哈勃单次拍摄区域的上万倍。