数百万个星系出现在NASA南希·格雷斯·罗曼太空望远镜的新模拟图像中
科学家们创建了一个庞大的合成巡天，展示了我们对南希·格雷斯·罗曼太空望远镜未来观测的期待。虽然它只代表了真实未来调查的一小部分，但这个模拟版本包含了惊人的数量——3300万个星系，以及我们银河系中的20万颗前景恒星。
这张模拟的罗曼深场图像，包含了数十万个星系，仅代表了合成巡天的1.3%，而这本身只是罗曼计划巡天的1%。完整的模拟可以在这里获取。星系用颜色编码——越红的星系离我们越远，越白的星系离我们越近。该模拟展示了罗曼进行大规模、深入调查的能力，并以目前望远镜无法实现的方式对宇宙进行统计研究。
影像来源：M. Troxel and Caltech-IPAC/R. Hurt
该模拟将帮助科学家规划最佳观测策略，测试不同的方法来挖掘该任务的大量数据，并探索我们可以从其他望远镜的串联观测中了解到什么。
“罗曼将传回的数据量对于太空望远镜来说是前所未有的。”北卡罗来纳州达勒姆杜克大学物理学助理教授迈克尔·特罗塞尔（Michael Troxel）表示。“我们的模拟是一个试验场，我们可以利用它来确保我们能从任务的观测中获得最大的收益。”
该团队从一个模拟宇宙中提取数据，该模拟宇宙最初是为了支持位于智利的维拉·C·鲁宾天文台的科学规划而开发，该天文台将于2024年开始全面运行。因为罗曼和鲁宾的模拟使用了相同的来源，天文学家可以对它们进行比较，看看一旦它们都在积极扫描宇宙，他们可以从配对望远镜的观测中获得什么。
由特罗塞尔领导的一篇描述这一结果的论文已被《皇家天文学会月刊》接受发表。
该图比较了合成图像的相对大小（用橙色勾勒的插图）、天文学家模拟的整个区域（中间上方的正方形用绿色勾勒）以及天文学家将进行的完整未来勘测的大小（左下方的大正方形用蓝色勾勒）。来自数字化巡天的背景说明了每个区域覆盖的天空面积。这张合成图像覆盖的天空大约相当于一个满月，未来的罗曼测量将覆盖比北斗七星更大的区域。虽然哈勃太空望远镜或詹姆斯·韦伯太空望远镜需要大约一千年的时间才能拍摄到像未来调查一样大的区域，但罗曼将在七个多月内完成这项工作。
影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center and M. Troxel
宇宙构造
罗曼的高纬度广域测量将包括成像（新模拟的重点）和对宇宙同一大片区域进行光谱分析。光谱分析包括测量不同波长的宇宙天体的光强度，而罗曼的成像将揭示数亿个暗星系的精确位置和形状，这些星系被将用于绘制暗物质。虽然这种神秘物质是隐形的，但天文学家可以通过观察它对普通物质的影响来推断它的存在。
任何有质量的东西都会扭曲时空结构。质量越大，扭曲就越大。这就产生了一种被称为引力透镜的效应，当来自遥远光源的光线在经过中间物体时发生扭曲时，就会产生这种效应。当这些透镜物体是大质量星系或星系团时，背景源可以被涂抹或显示为多个图像。
这个动画展示了天文学家在未来的罗曼深空观测中能够做的科学类型。介于其间的星系团和暗物质的引力可以将来自更远天体的光透镜化，扭曲它们的外观，如动画所示。通过研究扭曲的光，天文学家可以研究难以捉摸的暗物质，这只能通过其对可见物质的引力效应来间接测量。作为一个额外的收获，这种透镜也使我们更容易看到最遥远的星系，因为它们的光被放大了。
影像来源：Caltech-IPAC/R. Hurt
质量较小的物体可以产生更微妙的效果，称为弱透镜效应。罗曼将足够灵敏，可以利用弱透镜观测到暗物质团如何扭曲遥远星系的外观。通过观察这些透镜效应，科学家们将能够填补我们对暗物质认识的更多空白。
“宇宙结构形成理论预测了早期宇宙中的种子波动如何演变为通过引力透镜可以看到的物质分布。”哥伦布俄亥俄州立大学物理学教授、该论文的合著者克里斯·平田表示。“但这些预测本质上是统计性的，所以我们通过观察宇宙的广阔区域来检验它们。罗曼拥有广阔的视野，将被优化以有效地观测天空，与詹姆斯·韦伯太空望远镜等观测站相辅相成，后者专为更深入地研究单个天体而设计。”
地面与太空
合成的罗曼巡天覆盖了20平方度的天空，大致相当于95个满月。实际的巡天规模将是此次巡天的100倍，将揭开超过10亿个星系的面纱。鲁宾将扫描更大的区域——18,000平方度，几乎是整个天空的一半——但分辨率较低，因为它必须穿透地球的湍流大气。
罗曼和鲁宾模拟的配对为科学家提供了第一次机会，试图在两组图像中探测到相同的物体。这一点很重要，因为地面观测并不总是足够清晰，无法将多个近距离源区分为独立的天体。有时它们会混在一起，这会影响弱透镜测量。现在，科学家们可以通过将鲁宾图像与罗曼图像进行比较，来确定“分离”这些天体的困难和好处。
有了罗曼宏大的宇宙观，天文学家们将能够完成比这次巡天的主要目标多得多的任务，这些目标是研究宇宙的结构和演化，绘制暗物质的地图，并辨别试图解释宇宙膨胀为何加速的主要理论。科学家们可以通过梳理新的模拟罗曼数据，从如此精细的宇宙细节中领略到额外的科学成果。
“凭借罗曼的广阔视野，我们预计会有许多不同的科学机会，但我们也必须学会预料到意想不到的情况。”马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心负责罗马任务的高级项目科学家朱莉·麦克恩利表示。“这次任务将有助于回答宇宙学中的关键问题，同时可能为我们揭开全新的谜团。”
这段视频首先以红色显示了模拟深场图像中最遥远的星系。当它缩小时，画面中添加了一层又一层的较近星系（黄色和白色）。通过研究不同的宇宙时代，罗曼将能够追踪宇宙的膨胀历史，研究星系是如何随时间发展，等等。
影像来源：Caltech-IPAC/R. Hurt and M. Troxel
南希·格雷斯·罗曼太空望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心管理，参与的有NASA喷气推进实验室和南加州的加州理工学院/IPAC，巴尔的摩的太空望远镜科学研究所，以及一个由来自各个研究机构的科学家组成的科学团队。主要的工业合作伙伴是科罗拉多州博尔德的Ball Aerospace and Technologies Corporation；佛罗里达州墨尔本的L3Harris Technologies；以及加州千橡市的Teledyne Scientific & Imaging。