100個哈勃:羅曼空間望遠鏡有多強?

2020-12-21 OFweek維科網


羅曼上面的星冕儀的結構圖 | 來源:Neil Gehrels, Kevin Grady

如果用星冕儀遮擋住恆星發出的強光,只捕獲恆星周圍的行星反射出的微弱光芒,就是「直接成像法」,它是探測除了太陽之外的恆星周圍的行星——系外行星——的重要方法之一。

羅曼的星冕儀具有高對比度的優勢。雖然它的主鏡面只有2.4米,但它的對比度卻是未來建成使用的30米與40米口徑的地面超大型光學望遠鏡的10倍左右。因此,羅曼可研究的最暗的行星比後者的探測極限暗20到100倍。而且,它的視場雖然比羅曼上面的寬場設備的視場小得多,但還是比30-40米級地面望遠鏡的視場大得多。

羅曼探測系外行星的淵源恰好可以追溯到南希·羅曼本人。1959年,南希·羅曼就在論文中建議用望遠鏡上的配備的星冕儀來遮擋恆星光芒,直接拍攝系外行星。她還於上世紀80年代早期提出:空間望遠鏡可以用天體測量學的方法探測到木星大小的系外行星。這兩個構想後來都被哈勃實現了。南希·羅曼很可能是第一個提出用空間望遠鏡觀測系外行星的人。

羅曼的科學目標

羅曼上面的寬場設備與星冕儀的科學目標幾乎完全不同,只有極少一部分的交叉。

寬場設備的科學目標主要有:

○ 探測宇宙中各種距離上爆發的Ia型超新星,在其任務周期內,羅曼可以探測到約2700顆各種距離上的Ia型超新星,最遠達到156億光年,它們發出的光穿行98億年才到達地球。

根據這些不同距離處Ia型超新星的距離,天文學家可以計算出宇宙的膨脹速度,得到宇宙的膨脹歷史。

結合羅曼發現的Ia型超新星得到的結果與重子聲波振蕩等方法得到的結果,天文學家還可以確定出幾個重要的宇宙學參數,更好地限制暗能量的性質,確定宇宙的彎曲程度。

○ 觀測大量星系與類星體。由於其極高掃描效率與極強的採光能力,羅曼在其任務期間將拍攝到幾十億個星系,其中有4億個星系會被確定形狀,2千萬個星系會被採集到光譜。

特別是,羅曼將大批量發現宇宙年齡小於8億年甚至小於5億年時的星系。此前哈勃的多個「深場」項目已經發現一些年輕宇宙中的星系。羅曼的視野比哈勃上的相機至少大100倍左右,因此可以發現的年輕宇宙中的星系的數目是當前已知的上百倍。

對不同時期的星系的研究,將幫助人們進一步理解星系的演化規律。

○ 觀測大量星系團。星系團由大量星系聚集而成。羅曼可以探測到大約4萬個大質量的星系團,得到這些星系團的大尺度分布特徵。

天文學家根據羅曼獲得的星系團與星系的數據,研究瀰漫在星系與星系團內部的暗物質的分布特徵以及相關的「引力透鏡」現象,進而確定出宇宙的大範圍結構及其演化規律。

○ 觀測各類「暫現源」。所謂的暫現源,就是亮度快速變化的源,如恆星或白矮星爆炸導致的超新星、中子星與中子星/黑洞併合後產生的千新星,等等。通過研究這些重要的暫現源,人們可以深入了解恆星的演化規律。

○ 觀測銀河系與近距離星系內的恆星、恆星遺蹟與褐矮星。

哈勃 CANDELS 項目觀測到的超新星之一,將來羅曼也將發現更多各種類型超新星 | 來源:NASA/ESA, HST

○ 利用「微引力透鏡」現象探測2平方度天區內的系外行星。這個區域的大小大約是滿月的7倍。

微引力透鏡發現系外行星的原理是:恆星的引力會放大更遠處恆星的亮度,而伴隨恆星的行星對星光的亮度的放大作用會進一步放大星光亮度。

當充當「透鏡」的恆星經過望遠鏡與遠處恆星的連線時,透鏡恆星使遠處星光的亮度持續變化,形成一條寬的亮度演化曲線,緊接著經過連線的行星會在遠處星光的曲線上疊加一個尖峰。根據尖峰的亮度,可計算出行星的質量。

利用微引力透鏡探測系外行星的原理,圖中黃色代表遠處恆星,中間白色圓為「透鏡恆星」,灰色圓為跟隨者透鏡恆星的行星。透鏡恆星經過遠處恆星與望遠鏡之間的連線的前後,遠處星光的亮度變化形成一個寬峰;恆星帶著的行星經過連線前後,使遠處星光的亮度變化多出一個尖峰,這個尖峰可以用來判斷系外行星的存在並計算出它的質量| 來源:Paul Hertz, WFIRST-AFTA Science Definition Team Final Report

○ 觀測太陽系內天體,如矮行星、彗星、小行星。

星冕儀的科學目標有:

○ 用直接成像法觀測至少幾十顆系外行星。使用星冕儀觀測到的數據,天文學家可以研究這幾十顆行星的大氣的溫度、雲層中的鈉與鉀的譜線特徵,確定出這些元素的含量、行星的重力與質量。

帕洛瑪(Palomar)天文臺的508釐米口徑的海爾(Hale)望遠鏡用直接成像法拍出的圍繞恆星HR 8799運轉的3個系外行星的像。恆星發出的光已經被星冕儀遮擋,用綠色叉表示 | 來源:NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

在觀測系外行星方面,羅曼的能力比哈勃強大得多,並可以與已經退役的系外行星獵手克卜勒(Kepler)望遠鏡與正在服役的凌星系外行星巡天衛星(TESS)獲得的系外行星的數據互補。

我們可以發現,寬場設備與星冕儀在系外行星領域產生了交叉。據估計,在羅曼執行任務期間,它可以發現大約2600顆系外行星,其中有370個系外行星的質量約等於或小於地球的質量。

在上面的基礎上,天文學家可以篩選出那些位於允許液態水存在並可能發展出生命的區域(「宜居帶」)的系外行星。這對於搜尋外星生命具有重要意義。

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