与哈勃、韦伯相比,罗曼优势何在?

返朴
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2020年5月20日,NASA宣布将WFIRST改名为“罗曼空间望远镜”(“罗曼”)。

罗曼的主镜面是当年为锁眼-11号卫星定制的。它本来被预期用于观测地面目标,因此焦距比哈勃主镜的焦距短得多。因此,它也比哈勃的主镜面磨得深得多。我们可以这么直观理解:罗曼的主镜面磨得像碗那么深,而哈勃的主镜面磨得比碟子还要浅。与之相应的,罗曼的视野比哈勃的视野大得多:哈勃上的相机要拍摄一两百次才可以拍完的天区,罗曼上的相机一次就可以拍完。

因为焦距短,装载罗曼的飞船也比装载哈勃的飞船短得多,因此罗曼被人们戏称为“矮壮版哈勃”。在横截面几乎一样时,飞船短得多也就意味着轻得多:罗曼在升空时的质量是4.166吨,而哈勃升空时的质量是11.11吨,接近罗曼望远镜质量的3倍。罗曼的飞船由哈里斯(Harris)公司制造,这个公司在2015年与制造出罗曼主镜面的埃克斯利斯公司合并。

罗曼的两大设备:宽场设备与星冕仪

望远镜的主镜面只负责采集光线,要进行科学研究,还需要使用各种仪器来接收主镜面搜集到的光,比如各种滤光片与光谱仪。与罗曼望远镜的主镜面配合的仪器有两个。第一个仪器是宽场设备,第二个仪器是星冕仪。

100个哈勃:罗曼空间望远镜有多强?

罗曼的结构图,其中右侧淡黄色箭头所指为宽场设备的结构图,左侧白色箭头所指为星冕仪 | 来源:Neil Gehrels, Kevin Grady

宽场设备是罗曼上面用来进行大范围(“宽场”)观测的设备。它由两套部件构成。其中,第一套部件是一个照相机与配套的7个滤光片。其中,照相机由18个CCD探测器拼接而成,总像素达到2.88亿。7种滤光片的观测波长的范围从480纳米到2000纳米,可以观测绿、黄、红光与红外线。

宽场设备的第二套部件是两个光谱仪,用来观测天体的光谱。光谱仪将天体发出的光分解为多种颜色,仿佛彩虹——这就是光谱,用来分解光、得到光谱的仪器就是光谱仪。这两个光谱仪分别是棱镜光谱仪与棱栅光谱仪。棱镜光谱仪的分光工具是一个棱镜,棱栅光谱仪的分光部件是一个棱栅——将棱镜的一侧刻出大量条纹、使其成为“光栅”,即为棱栅。罗曼上面的棱镜光谱仪观测的波长范围从600到1800纳米,对应红色到近红外线范围;棱栅光谱仪观测的波长范围从1000到1930纳米,在近红外线范围。

100个哈勃:罗曼空间望远镜有多强?

罗曼上面的宽场设备的结构图,其长、宽、高分别是2.75米、1.85米与1.29米 | 来源:Neil Gehrels, Kevin Grady

宽场设备的照相机单次观测范围是0.281平方度,相当于满月在天空中占据的大小,是哈勃的第三代宽场照相机(WFC3)的红外通道单次观测范围的约200倍,是哈勃的高级巡天照相机(ACS)单次观测范围的约100倍。

100个哈勃:罗曼空间望远镜有多强?

罗曼的视场与哈勃以及韦伯上面的相机的视场的对比。图中共有18个白色边框区域,对应罗曼的18个CCD探测器的视场,图下方从左到右分别是哈勃的ACS、哈勃的WFC3与韦伯的NIRCAM的视场大小。 | 来源:Wide-Field InfraRed Survey Telescope- Astrophysics Focused Telescope Assets WFIRST-AFTA 2015 Report by the Science Definition Team (SDT) and WFIRST Study Office

因此,罗曼非常适合用来对宇宙进行扫描式观测。根据设计,它每5天就可以重新扫描到天空中几十平方度内的任意目标。几十平方度是满月区域的上百倍,是哈勃单次拍摄区域的上万倍。

罗曼的单次拍摄范围是哈勃上面的照相机的100-200倍,但拍出照片的品质却与哈勃不相上下,因此有人直接称呼罗曼为“100个哈勃”。它进行2200平方度的大范围巡天时,极限星等可以达到27等;进行3平方度的小范围深场巡天的极限星等为29等。在曝光1小时的情况下,7个滤光片的观测极限星等都可以达到28等左右。

为便于直观体会这些数字,我们以人的肉眼可以观测到的最暗的星(6.5等)来对比。28等的亮度是6.5等星亮度的4亿分之1,29等的亮度是6.5等星亮度的10亿分之1。

哈勃观测的极限星等是30等,是6.5等星亮度的25亿之1。如果增加相机曝光时间,罗曼望远镜也可以观测30等的光源。比如,宽场设备对超新星进行深度成像时,Z、Y、J、H、F滤光片可以分别观测到28.7、29.5、29.4、29.6与29.7等,都接近或约等于30等。

罗曼的第二个设备是星冕仪。我们知道,太阳的外围有一层帽子状的高温气体,它像帽子一样,因此被称为“日冕”。如果不借助仪器,天文学家只能在日全食时才可以看到日冕。为了可以在平时可以观测到日冕,天文学家发明了一种仪器,它可以遮住太阳发出的光,但不遮住日冕发出的光,从而造成日全食一样的效果。这就是日冕仪。为了观测一些明亮的恒星附近的行星与其他暗淡天体,天文学家发明了类似仪器,用以遮挡恒星发出的光,这就是星冕仪。

罗曼上面的星冕仪也由照相机与光谱仪构成。星冕仪挡住恒星发出的光之后,照相机用来直接拍摄恒星附近的行星与物质盘的图像,光谱仪用来获取这些目标的光谱。

星冕仪上面的照相机视野的边长只有9角秒,光谱仪的视野的边长只有2.2角秒。对应的天区的面积分别只有宽场设备观测面积的1/4500与1/750000,都比宽场设备的视场小得多,适合用来进行固定目标的后续观测,而不能用以巡天。

100个哈勃:罗曼空间望远镜有多强?

罗曼上面的星冕仪的结构图 | 来源:Neil Gehrels, Kevin Grady

如果用星冕仪遮挡住恒星发出的强光,只捕获恒星周围的行星反射出的微弱光芒,就是“直接成像法”,它是探测除了太阳之外的恒星周围的行星——系外行星——的重要方法之一。

罗曼的星冕仪具有高对比度的优势。虽然它的主镜面只有2.4米,但它的对比度却是未来建成使用的30米与40米口径的地面超大型光学望远镜的10倍左右。因此,罗曼可研究的最暗的行星比后者的探测极限暗20到100倍。而且,它的视场虽然比罗曼上面的宽场设备的视场小得多,但还是比30-40米级地面望远镜的视场大得多。

罗曼探测系外行星的渊源恰好可以追溯到南希·罗曼本人。1959年,南希·罗曼就在论文中建议用望远镜上的配备的星冕仪来遮挡恒星光芒,直接拍摄系外行星。她还于上世纪80年代早期提出:空间望远镜可以用天体测量学的方法探测到木星大小的系外行星。这两个构想后来都被哈勃实现了。南希·罗曼很可能是第一个提出用空间望远镜观测系外行星的人。

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