100個哈勃:羅曼空間望遠鏡有多強?

2020-11-29 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。

相關焦點

  • 100個哈勃：羅曼空間望遠鏡有多強？
    它的主鏡面的直徑與哈勃相同，但它的視野是哈勃的第三代寬場照相機（WFC3）的紅外拍攝模式的視野的大約200倍，是哈勃的高級巡天照相機（ACS）視野的大約100倍，並且成像質量不遜色於哈勃，因此被稱為「100個哈勃」。它有什麼「黑科技」，又有什麼樣的科學目標？本文帶你走進羅曼空間望遠鏡的前世今生，領略它的強大。
  • 揭開宇宙奧秘：羅曼太空望遠鏡來了，視野比哈勃望遠鏡大100倍
    美國宇航局（NASA）戈達德太空飛行中心的羅曼太空望遠鏡地面系統項目科學家肯·卡彭特說：對於這次任務來說，這是一個令人興奮的裡程碑，我們正在按部就班地及時完成數據系統的發射，我們期待著它將帶來的突破性科學。羅曼太空望遠鏡將擁有與哈勃太空望遠鏡相同的解析度，但捕捉到的視野幾乎是哈勃太空望遠鏡的100倍（如下圖2哈勃視野，圖3羅曼視野）。
  • 哈勃望遠鏡之母:空間天文學領域的「滅絕師太」
    羅曼望遠鏡的藝術想像圖 | 來源：NASA羅曼空間望遠鏡是NASA未來最重要的空間項目之一，經費預算高達39億美元，折合人民幣大約280億元。在NASA未來項目中，除了耗資近百億美元的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡之外，羅曼空間望遠鏡可以算得上排名靠前的燒錢項目了。在WFIRST被改名之前，羅曼就已經被譽為「哈勃空間望遠鏡之母」，簡稱「哈勃之母」。
  • 哈勃望遠鏡之母：空間天文學領域的「滅絕師太」
    在NASA未來項目中，除了耗資近百億美元的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡之外，羅曼空間望遠鏡可以算得上排名靠前的燒錢項目了。在WFIRST被改名之前，羅曼就已經被譽為「哈勃空間望遠鏡之母」，簡稱「哈勃之母」。因此，這次NASA將WFIRST改為羅曼望遠鏡，本身不值得驚訝。
  • 探訪美國宇航局新一代望遠鏡，羅曼太空望遠鏡，視場超哈勃一百倍
    大家最熟悉的，就是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），它有望在明年年底前發射升空。不過，NASA的下一代太空望遠鏡絕不僅僅有JWST，還有另外一個強大的宇宙之眼，那就是南希·羅曼太空望遠鏡。南希·羅曼是美國天文學家，她一生之中最偉大的功業，就是在哈勃望遠鏡籌備的最危險時期四處奔走，最終促成了哈勃的發射。因此，她也被稱為哈勃之母。
  • NASA新一代太空望遠鏡主鏡完工！視野是哈勃的100倍
    導讀：羅曼與哈勃使用的鏡頭大小相同，但重量只有四分之一：重410磅。與哈勃的鏡頭相比，重量的大幅減輕得益於幾十年來技術的改進。該望遠鏡將有兩臺科學儀器，包括廣場儀和日冕儀。廣場儀是一臺3億像素的相機，能夠以近100倍的視野提供與哈勃相同的解析度。
  • 美國宇航局「羅曼太空望遠鏡」主鏡已經完成建造
    美國宇航局「羅曼太空望遠鏡」主鏡已經完成建造（神秘的地球uux.cn報導）據cnBeta：美國宇航局正在努力研製下一代天基望遠鏡，以取代哈勃，讓全世界的天文學家和科學家更好地了解宇宙。未來的太空望遠鏡之一被稱為南希·格雷斯·羅曼，簡稱「羅曼太空望遠鏡」。美國宇航局近日宣布，這臺將收集和聚焦光線的太空望遠鏡的主鏡已經完成建造。羅曼號將使用直徑7.9英尺的鏡頭來捕捉太空圖像，其視野範圍是「行業標兵」哈勃號的100倍。美國宇航局羅曼望遠鏡經理斯科特·史密斯表示，完成主鏡是一個令人興奮的裡程碑。
  • 哈勃太空望遠鏡:傳奇背後的四個女人
    都說一個成功的男人背後，必然有一個默默支持他的女人，對於我們的哈勃太空望遠鏡來說，它成功的背後，有四個偉大的女人。雖然提起哈勃太空望遠鏡，大家首先想到的人毫無疑問是愛德文·哈勃（Edwin Powell Hubble）——上個世紀最傑出的天文學家，NASA為了紀念他的貢獻，把人類史第一臺太空望遠鏡以他的名字命名。但是，哈勃太空望遠鏡的誕生，與他的關係並不大，1953年哈勃就已經去世了。
  • 哈勃望遠鏡的後繼者——羅馬望遠鏡，主鏡完成
    媒體預言，如果羅馬望遠鏡建成，它將能夠以比哈勃望遠鏡大100倍的視野觀察宇宙。WFIRST因天文望遠鏡的名稱而被認為是相當乾燥，但在太空天文學家Nancy Grace Roman博士去世後被賦予了她的名字。羅曼博士於2018年去世，以一位女科學家而聞名，他是美國宇航局的早期成員，在男性航空航天領域取得了舉世矚目的成就。特別是，她被稱為「哈勃望遠鏡之母」，因為儘管人們對在太空中觀察天文物體的方式有很多異議，但她一直堅持到最後並成功實現了哈勃望遠鏡。
  • 詹姆斯·韋伯空間望遠鏡與哈勃望遠鏡的不同之處
    在詹姆斯·韋伯空間望遠鏡與哈勃望遠鏡間，第一個明顯的區別是鏡面系統的口徑不同。哈勃望遠鏡的鏡子是一塊直徑2.4米的一體鏡，而韋伯望遠鏡的則是一塊直徑6.5米的組合鏡，由18塊子鏡組成，且所有的子鏡必須精確地拼接在一起。較多的子鏡數量也為操作韋伯望遠鏡帶來了巨大的挑戰。第二個重要的區別是運作波長不同——哈勃望遠鏡收集較短的可見光和紫外線，而韋伯望遠鏡收集較長的紅外線波段。
  • 哈勃空間望遠鏡的重大發現
    從暗能量到外星行星再到黑洞，哈勃空間望遠鏡正在幫助天文學家解開宇宙中最大的奧秘。它們也無法告訴我們，在其他恆星的周圍是否存在有行星。在1990年4月25日被部署入近地軌道之後，哈勃空間望遠鏡做為太空中的第一個大型光學天文臺立馬就做出了一系列的發現和突破。它也迅速地成為了空間天文學黃金時代的開路先鋒。
  • 韋伯空間望遠鏡有多強?哈勃之後的最強人類之眼,它會看到什麼!
    距離第一臺望遠鏡發明到今天，已經有400多年的歷史了。1608年，荷蘭的一個商人發明了第一臺小型望遠鏡，隨後，大科學家伽利略在此基礎上，發明了人類史上第一天天文望遠鏡。從此，人類開啟了探索宇宙的新徵程！
  • 哈勃空間望遠鏡
    哈勃空間望遠鏡（英語：Hubble Space Telescope，HST），是以天文學家愛德溫·哈勃望遠鏡接收地面控制中心（美國馬裡蘭州的霍普金斯大學內）的指令並將各種觀測數據通過無線電傳輸回地球。由於它位於地球大氣層之上，因此獲得了地基望遠鏡所沒有的好處：影像不受大氣湍流的擾動、視相度絕佳，且無大氣散射造成的背景光，還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。
  • 科普| 你對哈勃空間望遠鏡了解多少?
    它的軌道位於雲層和霧霾之上，克服了地基望遠鏡會被大氣阻隔的缺點。 通過遠程操控，哈勃空間望遠鏡為數十個國家的天文學家提供服務。目鏡前的觀測者被敏感的光探測器所取代，而電子照相機可記錄下宇宙的精緻圖像。
  • 哈勃之後無哲學？命運多舛的哈勃空間望遠鏡年讓人類看到了什麼？
    但哈勃空間望遠鏡的出現，從某種程度上改變了這一切。當人類對天空不再神秘，對宇宙有了更加具體的認識，啟蒙了人類的哲學正在面臨尷尬的境地。就像霍金所說，或許哲學已經真的死了！其次是政治原因，在上世界六七十年代，正是人類熱衷尋找外星文明的時期，軌道天文臺計劃的成功極大的鼓舞了公眾的熱情，因此空間望遠鏡計劃一經提出就獲得了民眾廣泛的支持。但受冷戰和美國裁軍的影響，1974年時任美國總統傑拉爾德·福特剔除了所有進行空間望遠鏡的預算，哈勃空間望遠鏡計劃面臨夭折的命運。
  • 哈勃太空望遠鏡有了接班人,更大、更輕、更強
    哈勃太空望遠鏡的「接班人」——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將於2019年發射升空，比哈勃望遠鏡更大，更輕，更強。美國華盛頓岡恩紀念圖書館將於當地時間3月1日凌晨6點30分啟動「從NASA的哈勃太空望遠鏡到詹姆斯·韋伯太空望遠鏡」預熱項目。
  • 比哈勃望遠鏡更強:引力才是最好的望遠鏡
    比哈勃太空望遠鏡更強的望遠鏡：引力如果你想看宇宙中更遠的物體，你就需要收集更多的光。圖解 從這張圖可以很容易理解口徑和大氣對解析度的影響：圖一為智利帕瑞納天文臺的甚大望遠鏡，由四架同樣的直徑8.2米的望遠鏡構成，擁有相當於口徑16米的望遠鏡的聚光能力；圖二為哈勃太空望遠鏡，直徑2.4米；圖三為直徑8米的望遠鏡的解析度極限；圖四為壓倒性巨大望遠鏡，直徑100米所以，要麼建造一個更大的望遠鏡，從而增加你匯聚光的能力
  • 《最強蝸牛》哈勃空間望遠鏡怎麼樣 哈勃空間望遠鏡屬性介紹
    最強蝸牛哈勃空間望遠鏡怎麼樣？
  • 哈勃空間望遠鏡升空三十周年
    也就是說，任何人只要上其官網「生日宇宙」專題頁面選擇自己的出生日期，就能看到生日當天哈勃空間望遠鏡所拍下的宇宙圖像。 三十年前，「發現號」太空梭將哈勃空間望遠鏡送入軌道，但哈勃空間望遠鏡回傳的第一組照片成像質量遠低於預期。直到1994年1月13日，經過光路修正的哈勃空間望遠鏡回傳的一組照片，讓人類世界第一次看到了清晰的河外星系，哈勃也由此正式成為天文學家觀測宇宙的強有力工具。
  • NASA完成南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡的主鏡建造
    來源：cnBeta.COM美國宇航局正在努力研製下一代天基望遠鏡，以取代哈勃，讓全世界的天文學家和科學家更好地了解宇宙。未來的太空望遠鏡之一被稱為南希·格雷斯·羅曼，簡稱 "羅曼太空望遠鏡"。美國宇航局近日宣布，這臺將收集和聚焦光線的太空望遠鏡的主鏡已經完成建造。羅曼號將使用直徑7.9英尺的鏡頭來捕捉太空圖像，其視野範圍是「行業標兵」哈勃號的100倍。