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同等大小百倍視野,望遠鏡的巔峰——羅曼太空望遠鏡有多強


後浪科普哈勃太空望遠鏡可能是世界上最著名的科學儀器之一,它於年起飛,在過去年中拍攝了無數令人敬畏的宇宙奇觀,但是,隨著時間的流逝,年邁的哈勃所剩下的時間可能並不多,如果再次發生嚴重...

- 2021年1月20日03時55分
- 科學文摘 /

後浪科普

哈勃太空望遠鏡可能是世界上最著名的科學儀器之一,它於1990年起飛,在過去30年中拍攝了無數令人敬畏的宇宙奇觀,但是,隨著時間的流逝,年邁的哈勃所剩下的時間可能並不多,如果再次發生嚴重故障,我們可能就要永遠告別這台傳奇的望遠鏡,幸運的是,哈勃有它的繼任者,如果順利的話,今年10月,詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將會發射升空。

盡管韋伯還未起飛,但是追求更加先進的太空望遠鏡的夢想還在繼續,韋伯之後,美國國家航空航天局(以下簡稱NASA)的下一個旗艦太空望遠鏡將以類似的大小幫助哈勃太空望遠鏡,但觀測能力卻是哈勃的一百倍——南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡。羅曼——哈勃之母

南希·格雷斯·羅曼(Nancy Grace Roman)(1925-2018)是美國著名的天文學家,在20世紀上半葉,科學領域的性別不平等比現在嚴重得多,但是她仍然努力工作,不顧別人的冷眼和嘲諷選擇學習天文學,並在獲得博士學位後,在恒星分類和星系運動領域作出了傑出的貢獻。

1959年,羅曼前往NASA,並擔任NASA的首位首席天文學家多年。在她任職期間,太空技術才剛剛開始,人們對太空望遠鏡的概念並不熟悉。但憑借遠見卓識,羅曼在1960年代和1970年代參加並主持了許多NASA太空望遠鏡項目,並四處為這些項目籌集了資金,為現代太空望遠鏡的蓬勃發展奠定了基礎。

同時,她還促進了NASA向全世界提供觀測數據,並最終使天文界的開放數據文化得以延續至今。她對NASA太空望遠鏡計劃的傑出貢獻最終為她贏得了“哈勃之母”的美譽。

在被命名為羅曼太空望遠鏡之前,該望遠鏡項目被稱為“廣域紅外線巡天望遠鏡WFIRST”。顧名思義,這是一種用於觀察可見光和近紅外線的望遠鏡,用於廣域航天,有望在2020年代中期發射,它將與蓋亞,韋伯和其他前輩一起運行在日地第二拉格朗日點。同等大小百倍視野

在望遠鏡的結構上,羅曼和哈勃太空望遠鏡非常相似,都使用直徑為2.4米的主鏡。但是,由於30年來的技術進步,相同的2.4米主鏡頭的性能差異很大。

首先,通過使用先進的新材料,羅曼的主鏡重量僅為哈勃望遠鏡重量的20%,約為186公斤。而且,為了增加透鏡的反射率,普通望遠鏡將在透鏡表面上塗覆具有高反射率的金屬層(哈勃太空望遠鏡鏡頭的表面塗有一層約850納米厚的鋁)。然而,盡管鋁可以很好地反射可見光和紫外線,但是其對紅外線的反射率並不理想。因此,就像主要觀察近紅外線的望遠鏡一樣,羅曼的主透鏡表面鍍有400納米厚的銀,可以更好地反射來自宇宙深處的微弱的紅外線。

但是反射是不夠的,要獲得清晰的圖像,必須將光准確地聚焦在正確的位置。因此,望遠鏡需要非常精確的拋光。羅曼的主鏡被拋光完後,透鏡表面的平均波動僅為1.2納米。什麼概念?如果我們將鏡頭放大到類似於地球,則其表面的起伏將只有6毫米!

最終,當光線通過一系列複雜的透鏡聚焦時,它將被聚集到羅曼的3兆像素——“廣域儀器Wide Field Instrument ”中轉換為圖像數據,然後發送到地球供天文學家分析。在這套光學系統的配合下,羅曼太空望遠鏡在具有與哈勃望遠鏡相同的分辨率的情況下,視野可以達到後者的一百倍以上。視野變大,分辨率不變有用麼?

當然有!

在每個人的印象中,天文學家似乎總是拿著望遠鏡,仔細觀察和研究某個天體。這當然是重要的方法之一,但這不是天文學研究的全貌。實際上,在實際的天文學研究中,許多天文學家想知道的不是特定天體的特征,而是根據大量宇宙中同類天體的基本性質,然後在海量數據中尋找有科學價值的信息。

同樣,對於宇宙學家和星系天文學家來說,羅曼太空望遠鏡的廣角視野可以讓他們同時拍攝更寬的天空,或者拍攝相同的天空更長的時間以觀察較暗的物體。

羅曼升空後,他將拍攝早期宇宙中數百萬個星系和超新星,並對其中一些進行更詳細的光譜分析,觀察其紅移、位置分布、形狀、亮度和大小等信息。根據這些信息信息它可以用來倒推出宇宙的膨脹曆史(與暗能量有關)、星際暗物質的分布(利用重力透鏡效應)、尋找早期宇宙中的特殊星系,甚至有助於測量本星系群之中恒星的運動。兩種探測系外行星的方式

1、通過“微重力透鏡Microlensing ”效應。

當恒星穿過背景光源時,恒星的質量會使周圍的時空扭曲並使後方的光源匯聚,從而使背景光源看起來快速點亮,然後恢複原狀。並且亮度變化曲線具有相當明顯的特征。而且如果有一個行星繞恒星運行,那麼行星的質量也會影響亮度曲線。天文學家可以通過分析亮度變化曲線來檢測系外行星的存在。

2、羅曼將攜帶最先進的日冕儀(CGI)直接拍攝系外行星和原行星盤。

什麼是日冕儀?顧名思義,它最初是用來研究日冕的儀器。由於普通的太陽太亮,很難看到其旁邊相對較暗的日冕,因此科學家發明了日冕儀。借助複雜的光學系統可以阻擋視場中央的太陽眩光,他們可以拍攝出出色的照片並研究昏暗的日冕,在系外行星檢測中,由於系外行星本身很小很暗,並且非常接近明亮的恒星,因此,天文學家必須使用日冕儀的功能才能直接拍攝照片。

羅曼的光譜儀還將使用各種類似的自適應光學技術中使用的特殊光學元件和可變形透鏡,並將使用破壞性幹涉來去除主恒星發出的光,從而使我們能夠看到比主恒星暗幾百萬倍的系外星系。並進一步研究它們的光譜,看看它們的溫度有多高,由什麼組成從而進一步了解更多的“地球”。結語

作為韋伯之後的下一個大型光學太空望遠鏡,它將能夠以哈勃級分辨率拍攝廣闊宇宙中數百萬個星系,從而研究星系的宇宙學和星系演化;同時,它所攜帶的新一代日冕儀將使我們能夠更清晰地直接拍攝系外行星。至於羅曼太空望遠鏡將產生什麼驚人的資料?它將如何幫助我們揭示宇宙的奧秘?就讓我們拭目以待吧!


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