宇宙学发现的新纪元：NASA罗曼望远镜将揭开暗能量和暗物质的秘密

一个科学家小组预测了南希·格雷斯·罗曼太空望远镜的高纬度广域调查对宇宙学中关键问题的科学影响。这个观测项目将包括成像和光谱，前者揭示了像遥远的星系这样的天体的位置、形状、大小和颜色，后者则是测量来自这些天体的不同波长的光的强度，跨越宇宙的同一巨大范围。科学家们将能够利用这个丰富的数据集，利用各种交叉检查技术的力量，这有望对宇宙学中一些最棘手的问题进行前所未有的观察。

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当它在2027年开始工作时，罗曼太空望远镜将产生使用现有望远镜无法实现的结果。它的影响将通过与其他新设施（如与薇拉·库珀·鲁宾天文台合作）而得到进一步加强。薇拉·库珀·鲁宾天文台（Vera C. Rubin）是一个全新的宽视场望远镜，目前正在智利Cerro Pachón山顶建造。鲁宾天文台计划于2024年开始全面运行，其计划中的10年调查将延伸至罗曼的五年主要任务。

“通过预测罗曼的科学回报，我们希望帮助科学界制定观察宇宙的最佳策略，”亚利桑那大学的副教授Tim Eifler说。“我们急切地等待着任务将发回的图像和数据，以帮助我们更好地了解宇宙中一些最大的谜团。”

该团队的结果在Eifler领导的两篇论文中进行了描述，并发表在10月版的《皇家天文学会月报》上。这项研究是更广泛的世界顶级科学家团队努力的一部分，他们准备分析罗曼的宇宙学数据。

Eifler说："我们的研究之所以能够进行，是因为所有的专业知识，从理论家到观察员，都存在于这个更大的团队中。

罗曼太空望远镜任务的多面性归功于它在一个巨大的视野中结合了成像和光谱学，这使得两个主要的宇宙学技术得以实现：星系集群和弱引力透镜。第一项技术测量数以亿计的微弱星系的确切位置。弱透镜测量星系的图像是如何被介入物质的引力所扭曲的。凭借其宽广、深邃的视野，罗曼将使科学家们能够研究宇宙的结构和演变，并以前所未有的方式探索宇宙加速的概念。

了解宇宙如何演化到现在的状态，将提供关于什么在加速宇宙膨胀的线索。除了弱透镜和星系集群，罗曼还将通过多种方式研究这一奥秘，包括勘察天空中一种被称为Ia型超新星的特殊类型的爆炸星。这项任务还将通过测量星系团的质量和红移来探测宇宙加速，星系团是宇宙中最大的结构。这些结构的数量和大小取决于宇宙膨胀的速度如何变化。

日本名古屋大学副教授、这些论文的共同作者Hironao Miyatake说：“使用几种不同的方法来研究宇宙加速背后的原因将帮助天文学家大大减少困扰着膨胀测量的不确定性。每种方法都会对其他方法进行交叉检查，这是罗曼能够提供极其精确的结果的原因之一。”

结合如此多的观测方法，将使天文学家也能调查更多的谜团，包括确定暗物质的数量--只有通过其引力效应才能检测到的不可见物质--以及追踪早期宇宙中形成大质量星系种子的黑洞的成长。

亚利桑那大学助理教授、论文的共同作者Elisabeth Krause说：“罗曼是专门为解决宇宙加速等谜题而设计的，但它对宇宙的巨大视野将揭示出一个数据宝库，可能也有助于解释其他谜题。这项任务甚至可以帮助回答还没有人想到要问的问题。”

罗曼并不是唯一一个旨在探测宇宙加速的观测站。在一篇论文中，研究小组探讨了罗曼将如何与另一个望远镜携手合作：鲁宾天文台。鲁宾天文台以美国天文学家薇拉·库珀·鲁宾命名，鲁宾表明星系主要由暗物质构成，鲁宾天文台将利用其8.4米（27.4英尺）的主镜对天空进行真正巨大的调查，在10年内覆盖大约44%的天空。

Eifler说：“就波长而言，罗曼的观测将从鲁宾的观测结束时开始。罗曼计划观察较小的天空区域，但是它将看到更深的地方，并产生更清晰的图片，因为它将位于地球的大气层之上。”

目前罗曼的高纬度广域调查的观测策略将能够在大约一年的时间里观测大约5%的天空。然而，该团队说明了改变调查的设计如何能够产生引人注目的结果。例如，该调查可以被扩展，以覆盖更多的鲁宾将观察的相同区域。或者，它可以使用一个单一的广泛的过滤器来观察星系，而不是用四个独立的过滤器来成像，这样可以更快地进行观察，同时仍然保持调查的深度。

Krause表示：“考虑到我们将从合并两台望远镜的观测中获得的好处是令人兴奋的。罗曼将从鲁宾更大的观测场中获益，而鲁宾将从罗曼更好的图像质量中获得一些更深的观测，从而获得巨大的收益。这些任务将大大增强彼此的实力。”

南希·格雷斯·罗曼太空望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心管理，美国宇航局喷气推进实验室和位于南加州的加州理工学院/IPAC，位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所，以及由各研究机构的科学家组成的科学团队参与其中。主要的工业伙伴是位于科罗拉多州博尔德的波尔航空航天和技术公司；位于佛罗里达州墨尔本的L3Harris技术公司；以及位于加利福尼亚州千橡树市的Teledyne科学和成像公司。

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