NASA的罗曼望远镜将捕捉10万次爆炸——改写宇宙历史

宇宙爆炸为宇宙中一些最大的谜团提供了线索。其中之一是暗能量的本质，这种神秘的压力被认为正在加速宇宙的膨胀。

「无论你是想探索暗能量、垂死的恒星、星系动力工厂，还是可能我们前所未见的新事物，这次巡天都将是一座金矿，」德克萨斯州韦科市贝勒大学的助理教授本杰明·罗斯说，他领导了一项关于这些结果的研究。该论文发表在《天体物理学杂志》上。

该观测项目名为高纬度时域巡天，将在两年内每五天扫描宇宙的同一大片区域。科学家们将把这些观测结果拼接起来，制作成揭示各种宇宙焰火的「影片」。

其中最主要的是爆炸的恒星。这次巡天主要致力于寻找一类特殊的超新星，称为Ia型超新星。这些恒星灾变使科学家能够测量宇宙距离并追溯宇宙的膨胀，因为它们大约在相同的本征亮度达到峰值。弄清楚宇宙在不同宇宙时期膨胀的速度有多快，为研究暗能量提供了线索。

在新研究中，科学家模拟了罗曼望远镜的整个高纬度时域巡天。结果表明，罗曼望远镜可能观测到约27,000颗Ia型超新星——比以往所有巡天发现的总和多出约10倍。

除了显著增加这些超新星的总样本量外，罗曼望远镜还将突破我们观测它们所能回溯的时间极限。虽然迄今为止探测到的大多数超新星发生在大约过去80亿年内，但预计罗曼望远镜将观测到宇宙历史更早期的大量超新星，包括超过1000颗在100多亿年前爆炸的超新星，甚至可能有数十颗来自115亿年前。这意味着罗曼望远镜几乎肯定会创造最遥远Ia型超新星的新纪录，同时极大地扩展我们对早期宇宙的视野，并填补我们对宇宙如何随时间演化的理解中的一个关键空白。

「填补这些数据空白也可能填补我们对暗能量理解的空白，」罗斯说。「越来越多的证据表明暗能量随时间发生了变化，罗曼望远镜将通过其他望远镜无法做到的方式探索宇宙历史，帮助我们理解这种变化。」

但是，一旦罗曼望远镜在2027年开始科学运行，Ia型超新星将隐藏在其将观测到的更大样本的爆炸恒星中。该团队估计罗曼望远镜还将发现约60,000颗核心坍缩超新星，这类超新星发生于大质量恒星耗尽燃料并在自身重力下坍缩时。

这与Ia型超新星不同，Ia型超新星起源于包含至少一颗白矮星（类太阳恒星遗留下的炽热小核心）的双星系统，白矮星从伴星吸取物质。核心坍缩超新星对暗能量研究不像Ia型那样有用，但从宇宙半途中望去，它们的信号看起来相似。

「通过观察物体光线随时间变化的方式，并将其分解成光谱——揭示发光物体信息的具有特征模式的单色光——我们可以区分罗曼望远镜将看到的所有不同类型的闪光，」马里兰州格林贝尔特市美国宇航局戈达德太空飞行中心工作的马里兰大学巴尔的摩县分校助理研究科学家、该研究的合著者丽贝卡·亨塞尔说。

「利用我们创建的数据集，科学家可以训练机器学习算法来区分不同类型的物体，并在罗曼望远镜如雨般倾泻的数据中进行筛选以找到它们，」亨塞尔补充道。「在搜寻Ia型超新星的过程中，罗曼望远镜将收集大量宇宙‘副渔获物’——对其他科学家无用但对另一些科学家却无价的其他现象。」

隐藏的宝藏

科学家们表示，由于罗曼望远镜宽广而深邃的太空视野，此次巡天还应该能发掘极其罕见和难以捉摸的现象，包括更稀有的恒星爆炸和解体恒星。

当恒星近距离接近黑洞时，强大的引力可以在所谓的潮汐瓦解事件中将恒星撕碎。恒星碎片在围绕黑洞旋转时会加热，产生天文学家能从广阔时空跨度外看到的辉光。科学家认为罗曼望远镜的巡天将揭示40起潮汐瓦解事件，为深入了解黑洞物理提供机会。

该团队还估计罗曼望远镜将发现约90颗超亮超新星，其亮度可达典型超新星的100倍。它们威力巨大，但科学家并不完全清楚原因。发现更多此类超新星将帮助天文学家权衡不同的理论。

罗曼望远镜还可能探测到几起千新星，它们更为罕见且威力更大。这些爆炸发生在两颗中子星（超新星爆炸后遗留下的极高密度的恒星核心）碰撞时。迄今为止，只有一起确凿的千新星探测记录。该团队估计罗曼望远镜可能再发现五起。

这将帮助天文学家更多地了解这些神秘事件，可能包括它们的最终命运。目前，科学家尚不确定千新星的结果是形成单一中子星、黑洞，还是完全不同的东西。

罗曼望远镜甚至可能探测到宇宙中形成的第一批恒星的爆炸。这些核聚变熔炉是庞然大物，质量可达我们太阳的数百倍，且未受到当时尚未形成的重元素污染。

它们质量太大，以至于科学家认为它们的爆炸方式与现代大质量恒星不同。在未达到现代大质量恒星会坍缩的程度之前，第一批恒星内部强烈的伽马射线可能已转变为物质-反物质对（电子和正电子）。这将耗尽支撑恒星的内部压力，直至它们坍缩，在威力如此巨大的爆炸中自我毁灭，以至于被认为不会留下任何残余。

迄今为止，天文学家已发现约半打这类「对不稳定性」超新星的候选体，但无一得到确认。

「我认为罗曼望远镜将首次实现对一颗对不稳定性超新星的确认探测，」罗斯说——事实上该研究表明罗曼望远镜将发现超过10颗。「它们极其遥远且非常稀有，因此你需要一台能在近红外光波段进行深度曝光并巡天大片天空的望远镜，那就是罗曼望远镜。」

未来的模拟版本可能包含更多类型的宇宙闪光，如变星和活动星系。其他望远镜可能会跟进罗曼望远镜发现的稀有现象和天体，在不同的光波段进行观测以更详细地研究它们。

「罗曼望远镜将在太空中发现一大堆稀奇古怪又奇妙的事物，包括一些我们尚未想到的东西，」亨塞尔说。「我们肯定期待着意想不到的发现。」