NASA的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将如何逆转宇宙

一项新的模拟显示，NASA的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将在2027年5月发射时，以前所未有的方式揭示宇宙的演变。凭借其快速成像广阔太空的能力，罗曼将帮助我们了解宇宙是如何从最初的带电粒子海洋转变为我们今天所看到的庞大宇宙结构的复杂网络。

在这个模拟的深宇宙视图中，每个点代表一个星系。这三个小方块显示了哈勃的视野，每一个都显示了合成宇宙的不同区域。罗曼将能够快速勘测整个缩小图像一样大的区域，这将让我们一窥宇宙中最大的结构。
影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center and A. Yung

“哈勃望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜是为了深入和近距离研究天文物体而优化，所以它们就像通过针孔观察宇宙。”领导了这项研究的马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的博士后研究员亚伦·扬说。“为了在最大的尺度上解决宇宙之谜，我们需要一个可以提供更大视野的太空望远镜。这正是罗曼的设计初衷。”

将罗曼的大视野与哈勃更广泛的波长覆盖范围以及韦伯更详细的观测相结合，将提供一个更全面的宇宙视角。

该模拟覆盖了一个2平方度的天空，相当于一个满月的表观大小的10倍，包含超过500万个星系。它基于一个经过充分测试的星系形成模型，该模型代表了我们目前对宇宙运作方式的理解。使用一种极其有效的技术，该团队可以在不到一天的时间内模拟数千万个星系，而使用传统方法可能需要数年的时间。当罗曼发射并开始提供真实数据时，科学家可以将其与一系列此类模拟进行比较，从而对其模型进行最终测试。这将有助于解开星系形成物理学、暗物质（一种只有通过引力效应才能观察到的神秘物质）以及更多问题。

描述这些结果的论文发表在2022年12月的《皇家天文学会月报》上。

这幅图像包含了数百万散布在时空中的模拟星系，展示了哈勃（白色）和罗曼（黄色）在一张快照中可以拍摄到的区域。哈勃大约需要85年才能绘制出图像中相同深度的整个区域，但罗曼只需要63天就能完成。罗曼更大的视野和更快的观测速度将以前所未有的方式揭示宇宙的演变。
影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center and A. Yung

解开宇宙网络

星系和星系团沿着看不见的暗物质线成团发光，就像一幅可观测宇宙大小的织锦。有了足够广阔的视野，我们可以看到宇宙的大尺度结构是网状结构，由延伸数亿光年的丝状结构组成。星系主要发现于丝状结构的交叉处，在所有闪耀的丝状结构之间有巨大的“宇宙空隙”。

这就是现在宇宙的样子。但是如果我们能倒转宇宙，我们会看到非常不同的东西。

我们将发现自己淹没在等离子体（带电粒子）的海洋中，而不是散布在星系各处的巨大炽热恒星，它们彼此相隔更远。这种原始的汤几乎是完全均匀的，但谢天谢地，里面有一些小团块。由于这些团块比周围的密度稍大，所以它们的引力稍大。

几亿年过去了，这些团块吸收了越来越多的物质。它们变得足够大，形成了恒星，这些恒星受到形成宇宙隐形支柱的暗物质的引力吸引。星系诞生并继续进化，最终像我们这样的行星系统出现了。

罗曼的全景将帮助我们看到宇宙在不同阶段的样子，填补我们认识上的许多空白。例如，虽然天文学家发现了暗物质包围星系的“光晕”，但他们不确定它们是如何形成。通过观察暗物质引起的引力透镜如何扭曲更远物体的外观，罗曼将帮助我们了解光晕是如何在宇宙时间内发展。

在这张模拟宇宙的侧视图中，每个点代表一个星系，其大小和亮度与其质量相对应。来自不同时期的切片说明了罗曼将如何跨越宇宙历史来看待宇宙。天文学家将利用这些观测结果来拼凑宇宙是如何演变成我们今天看到的网状结构。
影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center and A. Yung

戈达德太空中心的天体物理学家、该论文的合著者桑吉塔·马尔霍特拉表示：“这样的模拟将至关重要，它将把从罗曼开始的前所未有的大型星系调查，与决定这些星系分布的看不见的暗物质支架联系起来。”

看到更大的画面

用其他太空望远镜研究如此巨大的宇宙结构是不现实的，因为需要数百年的观测才能拼凑出足够多的图像来观察它们。

“罗曼将拥有独特的能力，可以与哈勃超深场的深度相媲美，但其覆盖的天空面积比CANDELS这样的大范围调查要多几倍。”扬说。“这样一幅早期宇宙的全景图将有助于我们理解哈勃和韦伯的快照在多大程度上代表了当时的宇宙。”

罗曼广阔的视野也将成为哈勃和韦伯用来放大有吸引力领域的路线图。

罗曼的全面天体测量将能够比哈勃快一千倍地绘制宇宙地图。这将成为可能，因为天文台的刚性结构，快速回转速度，以及望远镜的大视野。罗曼将迅速从一个宇宙目标转移到下一个。一旦获得一个新的目标，振动将很快平息下来，因为像太阳能电池阵列这样潜在不稳定的结构已被固定到位。

“罗曼每年将拍摄大约10万张照片。”戈达德的天体物理学家杰弗里·克鲁克说。“考虑到罗曼的视野更大，即使是像哈勃或韦伯这样强大的望远镜，也需要比我们一生更长的时间才能覆盖同样多的天空。”

通过提供一个巨大而清晰的宇宙生态系统视图，并与哈勃和韦伯等天文台合作，罗曼将帮助我们解决天体物理学中一些最深刻的谜团。

南希·格雷斯·罗曼太空望远镜由美国宇航局戈达德太空飞行中心管理，NASA喷气推进实验室、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参与。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。

参考来源：
https://www.nasa.gov/goddard/2023/feature/how-nasas-roman-space-telescope-will-rewind-the-universe