曾经是间谍卫星，现在是着眼于宇宙的望远镜

美国宇航局正在为备受期待的 2027 年 5 月发射的南希·格雷斯·罗马太空望远镜做准备，天文学和宇宙学界已经兴奋不已。这台尖端望远镜被称为“哈勃睁大眼睛的表亲”，有望彻底改变我们对系外行星和宇宙的理解。

“这台哈勃级望远镜的视野将比哈勃的红外仪器大100倍，”艺术与科学学院物理与天文学系教授Bhuvnesh Jain说。“这意味着罗曼将能够在更短的时间内捕捉到更大的天空。

耆那教和物理学和天文学的同事迈克·贾维斯（Mike Jarvis）、萨科正雄（Masao Sako）和罗宾·桑德森（Robyn Sanderson）等人都热切地等待着罗曼的宇宙之旅。他们是一个精选的全球团队的一部分，该团队正在构建分析软件，以从罗曼的图像中提取科学发现。宾夕法尼亚大学集团是该项目中最大的大学领导团队，已获得超过400万美元的资金，用于建立一个由多达十几名学生和博士后组成的团队。研究人员将进行三项关键研究：分析数十亿张星系图像，将暗物质映射到最早的宇宙时代，研究遥远光的时间变化，并探测银河系中最微弱的邻居。

从监测到调查

Jain说，这一过程始于2011年，当时为中央情报局、国家安全局和其他政府机构制造监视设备的机构国家侦察局（NRO）与美国宇航局联系。“他们打电话说，他们有几颗间谍卫星放在纽约州北部的一个仓库里，”Jain说。“他们没有使用它们，他们认为美国宇航局可能会喜欢它们，因为他们有一些最先进的仪器，可以选择向不同的方向看：太空。

贾维斯说，美国宇航局对这个提议很感兴趣，几乎立即派出了几名天文学家来检查卫星。“当他们到达这个仓库时，他们就像糖果店里的孩子一样，”他说。“因为望远镜的能力远远超出了我们对科学预算的期望 – 而NRO拥有两台从未离开过地面并且他们愿意放弃的哈勃级望远镜这一事实增加了荒谬性。尽管如此，我们很高兴这让罗曼顺利晋级。

顺时针方向，从左上角开始，宾夕法尼亚大学的研究人员 Bhuvnesh Jain、Masao Sako、Michael Jarvis 和 Robyn Sanderson。

研究人员解释说，尽管NRO准备将卫星赠送给NASA天文学家，但仍需要说明如何使用它们，以及NASA如何能够负担得起所需的修改，以使其配备星际观测工具并进入轨道。“事实证明，我们不能使用很多工具，因为它们是用于秘密事务的，”Jain解释道。

Jain和Jarvis指出，罗马望远镜项目的时机恰逢备受期待的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的发射，这给罗马团队带来了一系列挑战：作为NASA的旗舰任务，具有巨大的科学和公众兴趣，JWST吸引了NASA的很大一部分注意力和资源。相反，研究人员强调了Roman的互补科学目标以及重新利用现有高质量硬件的成本效益。

与加州理工学院和杜克大学的同事一起，Jain穿上了西装，前往华盛顿特区，以确保对该项目的支持，展示了将间谍望远镜重新用于宇宙学研究的价值和潜力。“最终，我们能够帮助NASA筹集到超过10亿美元的资金，这使其走上了发射的道路，”Jain说。

第一件事是“WFIRST”

桑德森指出，罗曼最初被命名为宽视场红外巡天望远镜（WFIRST），并补充说，这是对其科学目标之一的诙谐暗示。“这个名字可以追溯到2010年的实地十年调查 – 有一个想要研究系外行星的任务的竞争提案，然后是另一个想要研究宇宙学的任务。

桑德森说，在那次调查中，美国宇航局意识到他们可以用同一台望远镜同时做一些事情。“但是关于是否在那个社区这样做，存在很大的争论。在宇宙学中，罗曼现在试图更好地理解的一件事是宇宙膨胀速度由于暗能量而加速的方式。这是用这个东西参数化的，人们称之为 W 作为简写。因此，当他们统一任务时，他们想表明其中一个是主要优先事项。

桑德森解释说，WFIRST于2020年更名为南希·格雷斯·罗马太空望远镜，以纪念这位美国宇航局天文学家。“她是美国宇航局的第一位首席天文学家，她在从国会获得哈勃望远镜的资金方面发挥了重要作用，因此在社区中，她被称为’哈勃太空望远镜之母’。

观察结果

Sako为罗马项目所做的工作将主要涉及观察Ia型超新星，并将专注于利用这些恒星爆炸作为宇宙学工具来了解暗能量的本质，暗能量是1998年发现的神秘力量，约占宇宙的70%。他解释说，Ia型超新星对此特别有用，因为它们可以用作“标准蜡烛”，这意味着通过了解这些超新星的固有亮度，天文学家可以准确地确定它们与地球的距离。

“除了超新星观测外，罗曼还将进行广泛的星系调查，”萨科说。“这些调查可以为超新星研究提供丰富的背景，使我们能够将超新星特性与其宿主星系的特征相关联，从而提供对超新星祖先及其环境的见解。

他还指出，Roman将提供深场和宽视场成像能力，使研究人员能够在更大的天空中观测大量的Ia型超新星。这对于识别和研究这些超新星在广泛的红移范围内至关重要，红移是指来自太空物体（如恒星、星系或超新星）的光在向观察者传播时向更长、更红的波长移动。这种偏移可以在物体的光谱中看到，其中光谱线，即被元素吸收或发射的特定波长的光，被移向光谱的红色部分。

Jain和Jarvis的团队将从事引力透镜研究，使用像素级数据来了解暗物质和暗能量以及早期宇宙。 “引力透镜是爱因斯坦广义相对论预测的一种现象，其中大质量物体的引力，如星系团，弯曲并放大来自其后面遥远物体的光，”Jain解释说，他与宾夕法尼亚大学校友Tim Eifler一起领导了Roman的宇宙学工作，现在是亚利桑那州的教职员工。他指出，新的人工智能技术将是从数据中提取信息的关键。

“这种效应可以用来绘制暗物质的分布图，研究暗能量的特性，因为它会影响宇宙的结构和演化，”贾维斯补充道。“罗曼的宽视场成像能力将允许对引力透镜效应和大面积天空进行详细观测。

桑德森参与罗马计划与她对暗物质及其对星系形成的影响的迷恋有关。通过使用罗曼来追踪银河系内的恒星运动，她试图揭示银河系的广阔结构。

“我们称之为’银河考古学’，”桑德森说。在这个领域，研究人员通过研究古代恒星来拼凑宇宙起源的宇宙之谜。

桑德森的方法将利用罗曼在弱透镜和暗淡恒星观测方面的先进能力，这对于剖析星系结构和动力学的复杂性至关重要。此外，她还将致力于寻找新的方法，利用罗曼的特征进行其他科学观察。“我们有五年的资金来研究如何进行罗马式调查，模拟它，并弄清楚如何在相同数量的观测中获得最多的信息。

后续步骤

在回顾太空任务的成功时，Jain还对欧洲航天局的Euclid太空望远镜感到兴奋，他去年夏天目睹了该望远镜的发射。Jain指出，宾夕法尼亚大学的天文学小组“在这两个主要的望远镜项目中都发挥了重要作用，这在大学小组中是罕见的。

“具体来说，在罗马项目中，我们可能是全国最大的大学集团。这些项目由美国宇航局实验室（在我们的例子中是JPL）领导，他们带来了硬件和软件专家。我们的四名高级研究人员以及我们将雇用的学生和博士后，加上大量资金，使我们处于一个很好的位置，可以做一些令人兴奋的工作。我们将解决重大的宇宙问题，并在此过程中创造一些令人敬畏的图像。

Bhuvnesh Jain是Walter H. and Leonore C. Annenberg自然科学教授，也是艺术与科学学院物理与天文学系粒子宇宙学中心的联合主任。

迈克·贾维斯（Mike Jarvis）是艺术与科学学院粒子宇宙学中心的研究科学家。

Masao Sako是艺术与科学学院物理与天文学系的Arifa Hasan Ahmad和Nada Al Shoaibi物理和天文学总统教授。

罗宾·桑德森（Robyn Sanderson）是艺术与科学学院物理与天文学系的助理教授。