与旨在以非凡深度研究宇宙中相对较小区域的韦布不同,罗曼的设计目的是快速巡视大片天空。这两座天文台都能探测红外光,使天文学家能够比较和结合他们的观测结果。这两项任务配合使用,揭示的宇宙奥秘将远超任何一台望远镜单独工作的成果。
哈勃大小的主镜,视场却宽广得多
罗曼拥有一面直径7.9英尺的主镜,直径与哈勃空间望远镜相同,并搭载两台主要科学仪器。其日冕仪将遮挡并过滤恒星发出的光,以便天文学家研究系外行星及其周围的星周盘。其广域仪器的设计旨在匹配哈勃相机的灵敏度,同时成像面积大100倍。
在30多年的时间里,哈勃观测了大约0.1%的夜空。相比之下,罗曼有潜力以相同的分辨率巡视整个天空。
如此广阔的视野将使罗曼能够发现距离地球较近以及跨越遥远宇宙距离的稀有天体。科学家预计它将捕捉到濒死的恒星、新发现的世界、星系团以及许多其他目标。亚利桑那大学的研究人员将为罗曼科学的几个主要领域做出贡献。
探测暗物质与暗能量
罗曼的主要科学目标之一是研究暗物质和暗能量,这两种神秘成分构成了宇宙的绝大部分。暗物质产生引力但不发光,而暗能量与宇宙的加速膨胀有关。
NASA选中了亚利桑那大学的亚利桑那宇宙学实验室来支持两项旨在更好理解这些现象的工作,包括一个广域科学团队和一个项目基础设施团队。
天文学和物理学教授Elisabeth Krause领导着名为“罗曼空间望远镜运动学透镜”的广域科学团队。该团队获得了200万美元资金,用于开发一种被称为运动学透镜的宇宙学测量技术。
通过将罗曼的图像与光谱测量相结合,研究人员希望以比以往更高的精度研究暗物质和暗能量。
亚利桑那大学的另一个小组将在多机构合作的项目基础设施团队“利用罗曼高银纬成像巡天最大化宇宙学科学产出”中发挥主导作用。天文学和物理学教授Tim Eifler领导着负责解释罗曼宇宙学观测结果的工作组。
将星系巡天转化为宇宙地图
罗曼将识别跨越广泛距离的星系,确定它们的位置,并测量其特征。天文学家将利用这些观测建立大型星表,然后应用物理模型来确定这些星表揭示了关于宇宙结构和演化的哪些信息。
这些计算将需要巨大的算力。NASA罗曼项目向Eifler的实验室拨款80万美元用于计算资源,这些资源将成为定于今年秋季到货的全校范围新型高性能计算系统的一部分。该实验室还将在五年内获得另外240万美元用于开展科学研究。
“这一基础设施将带我们从星表走向宇宙学解释,”Eifler说,“我们将能够完成诸如确定宇宙中存在多少暗能量和暗物质之类的任务。”
Eifler还担任宇宙学组的联合主席,该小组包括全球1000多名科学家。
“将科学界团结起来,围绕这一科学目标组织我们,真是太棒了,”他说,“这真是一份理想的工作。”
直接成像遥远行星
罗曼的日冕仪将使用掩模、棱镜、探测器、滤光片和可变形镜来演示能够抑制星光的技术。通过减弱主星强烈的眩光,天文学家可以直接对附近的行星和星周盘进行成像,否则这些目标将极难被观测到。
直接成像代表了系外行星科学向前迈出的重要一步。几乎所有已知的系外行星都是通过间接方法发现的,包括探测行星经过恒星前方时恒星亮度的轻微下降等方法。
罗曼的日冕仪则通过遮挡恒星眩光来帮助天文学家搜寻行星。该仪器预计能探测到比其主星暗1亿倍的行星,其性能比现有的天基日冕仪好100到1000倍。
“它将成为未来‘宜居世界天文台’的关键探路者,”领导日冕仪观测规划工作组的副研究教授Schuyler Wolff说。该天文台是一台被推荐的望远镜,将专门设计用于在其他恒星系中搜寻生命迹象。
筹备罗曼的系外行星观测
月球与行星实验室主任Mark Marley、天文学副教授Ewan S. Douglas、斯图尔德天文台助理研究教授Ramya Anche以及天文学博士后研究员Justin Hom也协助开发了日冕仪。他们将通过观测规划工作组参与未来的科学研究。
Marley与LPL副教授Ty Robinson及LPL博士后研究员Zarah Brown合作,将利用日冕仪数据研究太阳系外行星的大气层。
Brown一直在对自发光巨行星的气候和光谱进行建模。这些天体通常很年轻,且温度足以发射自身的热红外光。
该模型预测了大气温度、成分和云层,以及每个天体应产生的红外光谱。这些预测尤为重要,因为这些行星中的大多数从未在这些波长上被观测过。
“预测光谱对于规划至关重要,”Brown说,“罗曼的日冕仪面对的是极其微弱、高对比度的目标,因此团队必须安排足够的观测时间来探测候选天体,同时避免不必要地消耗任务有限的时间。”
Anche的团队正在研究太阳系外系统的结构,而Hom正致力于确定用于校准日冕仪的最佳恒星。Hom还领导着利用地基望远镜进行的先导观测项目,这项工作对于确认应选择哪些目标用于未来的罗曼科学项目至关重要。
罗曼科学任务将于2027年1月开启
一旦罗曼在1月开始科学运行,其数据将向科学界的研究人员开放。
亚利桑那大学将领导九项经NASA批准的利用罗曼数据进行的调查,带来超过200万美元的资金。研究人员将利用这些观测结果研究超大质量黑洞、引力透镜、星系形成、再电离和宇宙尘埃等额外课题。