美国宇航局（NASA）即将发射的南希·格雷斯·罗曼空间望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）正蓄势待发，它将凭借超越以往任何太空观测站的强大能力，彻底改写我们研究宇宙的方式。全球天文学家们正摩拳擦掌，准备利用这一划时代的新工具。
“如果你拥有一台‘超级哈勃’，不仅能拍摄小块天空，还能捕捉大片宇宙的快照，你会怎么做？”这是NASA向科学家们提出的问题，而他们也给出了精彩的答案。NASA近期已批准了118个利用罗曼望远镜的创新项目，该望远镜计划于8月30日发射升空。这些项目旨在利用罗曼望远镜的独特优势，例如搜寻新生黑洞、调查附近星系的恒星群，同时也将为望远镜研究暗能量、暗物质以及发现数万颗系外行星等主要目标奠定基础。
罗曼望远镜的研发历时十余年，耗资高达43亿美元。其核心是一面2.4米的全景镜面，这面与哈勃望远镜尺寸相当的镜面，其来源颇具传奇色彩——它最初是美国间谍卫星的备用部件。这面镜面与一台300兆像素的红外广角仪器（Wide-Field Instrument）以及一台用于高对比度成像的日冕仪（Coronagraph Instrument）协同工作。罗曼望远镜将部署在距离地球150万公里（约100万英里）的轨道上，与詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）共享同一“家园”，它将能够进行广域宇宙巡天，并对系外行星展开突破性研究。
罗曼望远镜的镜面使其在单次曝光中能观测到比哈勃或JWST多约100倍的天空区域，从而能够同时研究大量星系和恒星。这赋予了它其他望远镜无法比拟的独特能力，但也带来了数据管理的挑战。NASA官员表示，罗曼望远镜预计每天将产生1.4太字节（TB）的科学数据，每年数据量将达到惊人的500太字节。这一年数据量与哈勃望远镜运行35年多以来产生的总数据量相当。许多新批准的118个“通用研究员”观测项目将致力于充分利用这一数据洪流。
罗曼望远镜的部分项目将聚焦于研究“小红点”（Little Red Dots, LRDs）。由于罗曼望远镜拥有广阔而深邃的视野，它将以全新的方式搜寻这些神秘天体。LRDs是JWST在2022年发现的早期宇宙中奇特、致密的天体，它们可能是奇异的“黑洞恒星”。然而，随着宇宙年龄的增长，LRDs却神秘地逐渐消失。
德克萨斯大学奥斯汀分校的瓦西里·科科列夫（Vasily Kokorev）及其团队将利用罗曼望远镜的数据，尝试弄清LRDs是否真的随着宇宙年龄增长而消逝，抑或只是我们尚未在其他地方发现它们，这将为它们的起源提供重要线索。科科列夫的项目将从宇宙大爆炸（138亿年前）发生20亿年后开始搜寻LRDs。“当我们试图寻找离我们更近的小红点时，我们失败了，”科科列夫说，尽管在距地球几十亿光年范围内（在宇宙学尺度上几乎是近在咫尺）曾有一些发现的迹象。科科列夫指出，使用JWST寻找更近期的LRDs，就像“试图用一副巨大的双筒望远镜去阅读近在眼前的书”。罗曼望远镜发现的LRDs的数量和年龄将有助于我们更好地理解它们的起源。如果它们包含巨大的恒星或黑洞（被认为是球状星团的起源），那么它们在宇宙不同年龄段的数量应大致相似。但如果它们确实是黑洞恒星，即在致密气体茧中成长的超大质量黑洞，那么随着宇宙物质扩散和黑洞燃料耗尽，它们的数量应该会减少。
罗曼望远镜也被设计用于研究更遥远的宇宙。德克萨斯大学奥斯汀分校的史蒂文·芬克尔斯坦（Steven Finkelstein）正领导一个项目，旨在搜寻非常明亮、非常遥远的星系，以便罗曼望远镜和其他观测站能对其进行详细研究。其中最著名的例子是GN-z11，它由哈勃望远镜于2016年在宇宙大爆炸后仅4亿年时发现。尽管JWST后来发现了更遥远的星系，但GN-z11因其异常高的亮度而独树一帜，这使得对其化学成分和历史的深入后续研究变得更容易。
“它比人们预期在早期宇宙中形成的星系要亮得多，”芬克尔斯坦说，他希望通过罗曼望远镜再发现大约500个类似的物体。他的项目还将在宇宙最初的20亿年内发现LRDs，以及被称为“引力透镜星系团”的大型星系群，这些星系团能够放大更遥远、更黯淡星系的光线，帮助我们回溯到宇宙时间更深邃的混沌时期。
芬克尔斯坦还参与了另一个项目，该项目将尝试重现哈勃和JWST著名的“深场图像”，这些图像通过凝视看似空无一物的宇宙区域，揭示了数百万个此前未见的星系。罗曼望远镜将以“超强模式”完成类似任务。这项名为“罗曼极致深场”（Roman eXtreme Deep Field, RXDF）的项目，将要求望远镜凝视一片比哈勃极致深场大140倍的区域，揭示数百万个可追溯到宇宙大爆炸后3亿年的星系。该项目负责人、密苏里大学观测天文学家严浩京（Haojing Yan）补充说，RXDF甚至可能观测到宇宙中第一代恒星（即第三星族星）的超新星爆发。“在它们生命的大部分时间里，它们都太暗淡而无法被探测到，”他说，“但当它们以超新星的形式结束生命时，罗曼望远镜将给我们一个机会。”
在118个已批准的项目中，除了利用罗曼望远镜主要巡天数据外，还有几个大型项目将进行定制化观测。其中一项由马里兰州空间望远镜科学研究所（STScI）的卡罗琳·吉尔伯特（Karoline Gilbert）领导，将以非凡的细节对附近的仙女座星系（距离银河系250万光年）和三角座星系（距离银河系300万光年）进行巡天。
吉尔伯特和她的团队将利用罗曼望远镜绘制这两个星系中5亿颗恒星的分布图。在其他星系中分辨单个恒星非常困难，但仙女座和三角座星系足够近且足够大，加上罗曼望远镜（以及JWST和哈勃）的“鹰眼”般的分辨率，使得观测成为可能。然而，罗曼望远镜凭借其更广阔的视野，能够更精细地筛选仙女座星系中的恒星，这是其独特优势。
“罗曼望远镜史无前例地结合了全景视野与极高的分辨率和精度，”吉尔伯特说，“我们可以研究这些星系的生态系统及其内部的恒星。”
通过对仙女座星系进行数年的重复成像，罗曼望远镜将密切追踪星系中恒星位置的变化，从而帮助我们辨别其微妙的动力学历史。仙女座星系被认为在过去20亿年内曾与另一个星系合并，尽管合并产生的恒星现在应该已经广泛散布，但通过它们共同的运动仍然可以被探测到。吉尔伯特的项目还将搜寻仙女座和三角座星系附近超微弱的矮星系，这些星系因恒星稀少而黯淡，大多躲过了其他望远镜的探测。“它们是宇宙中暗物质主导程度最高的天体，”吉尔伯特说，“这将是我们首次有机会在仙女座或三角座周围发现这些超微弱的矮星系。”
加州大学圣克鲁斯分校的瑞安·福利（Ryan Foley）将利用罗曼望远镜的数据进行一项略有不同的研究——寻找其他星系中的“失败的超新星”。“据预测，一些大质量恒星应该会直接坍缩成黑洞，”福利说，而不是爆发超新星，因为它们会在超新星冲击波逃逸之前完成这种“黑暗”的转变。这意味着一些恒星在生命终结时会悄无声息地消失——这种奇异现象我们此前曾有迹象，但从未被明确观测到。通过罗曼望远镜，福利和他的团队将观察大约1000个星系，以寻找此类事件。
随着罗曼望远镜投入运行并开始其独特的宇宙研究，未来还有更多精彩等待揭示。“我只是期待又一台酷炫的太空望远镜发射，”科科列夫说。有了它，天文学家将拥有一个新工具来探索宇宙最伟大的奥秘。