羅曼的科學(xué)目標(biāo)

羅曼上面的寬場(chǎng)設(shè)備與星冕儀的科學(xué)目標(biāo)幾乎完全不同，只有極少一部分的交叉。

寬場(chǎng)設(shè)備的科學(xué)目標(biāo)主要有：

○ 探測(cè)宇宙中各種距離上爆發(fā)的Ia型超新星，在其任務(wù)周期內(nèi)，羅曼可以探測(cè)到約2700顆各種距離上的Ia型超新星，最遠(yuǎn)達(dá)到156億光年，它們發(fā)出的光穿行98億年才到達(dá)地球。

根據(jù)這些不同距離處Ia型超新星的距離，天文學(xué)家可以計(jì)算出宇宙的膨脹速度，得到宇宙的膨脹歷史。

結(jié)合羅曼發(fā)現(xiàn)的Ia型超新星得到的結(jié)果與重子聲波振蕩等方法得到的結(jié)果，天文學(xué)家還可以確定出幾個(gè)重要的宇宙學(xué)參數(shù)，更好地限制暗能量的性質(zhì)，確定宇宙的彎曲程度。

○ 觀測(cè)大量星系與類星體。由于其極高掃描效率與極強(qiáng)的采光能力，羅曼在其任務(wù)期間將拍攝到幾十億個(gè)星系，其中有4億個(gè)星系會(huì)被確定形狀，2千萬(wàn)個(gè)星系會(huì)被采集到光譜。

特別是，羅曼將大批量發(fā)現(xiàn)宇宙年齡小于8億年甚至小于5億年時(shí)的星系。此前哈勃的多個(gè)“深場(chǎng)”項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些年輕宇宙中的星系。羅曼的視野比哈勃上的相機(jī)至少大100倍左右，因此可以發(fā)現(xiàn)的年輕宇宙中的星系的數(shù)目是當(dāng)前已知的上百倍。

對(duì)不同時(shí)期的星系的研究，將幫助人們進(jìn)一步理解星系的演化規(guī)律。

○ 觀測(cè)大量星系團(tuán)。星系團(tuán)由大量星系聚集而成。羅曼可以探測(cè)到大約4萬(wàn)個(gè)大質(zhì)量的星系團(tuán)，得到這些星系團(tuán)的大尺度分布特征。

天文學(xué)家根據(jù)羅曼獲得的星系團(tuán)與星系的數(shù)據(jù)，研究彌漫在星系與星系團(tuán)內(nèi)部的暗物質(zhì)的分布特征以及相關(guān)的“引力透鏡”現(xiàn)象，進(jìn)而確定出宇宙的大范圍結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律。

○ 觀測(cè)各類“暫現(xiàn)源”。所謂的暫現(xiàn)源，就是亮度快速變化的源，如恒星或白矮星爆炸導(dǎo)致的超新星、中子星與中子星／黑洞并合后產(chǎn)生的千新星，等等。通過(guò)研究這些重要的暫現(xiàn)源，人們可以深入了解恒星的演化規(guī)律。

○ 觀測(cè)銀河系與近距離星系內(nèi)的恒星、恒星遺跡與褐矮星。

哈勃 CANDELS 項(xiàng)目觀測(cè)到的超新星之一，將來(lái)羅曼也將發(fā)現(xiàn)更多各種類型超新星 ｜ 來(lái)源：NASA／ESA， HST

○ 利用“微引力透鏡”現(xiàn)象探測(cè)2平方度天區(qū)內(nèi)的系外行星。這個(gè)區(qū)域的大小大約是滿月的7倍。

微引力透鏡發(fā)現(xiàn)系外行星的原理是：恒星的引力會(huì)放大更遠(yuǎn)處恒星的亮度，而伴隨恒星的行星對(duì)星光的亮度的放大作用會(huì)進(jìn)一步放大星光亮度。

當(dāng)充當(dāng)“透鏡”的恒星經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡與遠(yuǎn)處恒星的連線時(shí)，透鏡恒星使遠(yuǎn)處星光的亮度持續(xù)變化，形成一條寬的亮度演化曲線，緊接著經(jīng)過(guò)連線的行星會(huì)在遠(yuǎn)處星光的曲線上疊加一個(gè)尖峰。根據(jù)尖峰的亮度，可計(jì)算出行星的質(zhì)量。

利用微引力透鏡探測(cè)系外行星的原理，圖中黃色代表遠(yuǎn)處恒星，中間白色圓為“透鏡恒星”，灰色圓為跟隨者透鏡恒星的行星。透鏡恒星經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)處恒星與望遠(yuǎn)鏡之間的連線的前后，遠(yuǎn)處星光的亮度變化形成一個(gè)寬峰；恒星帶著的行星經(jīng)過(guò)連線前后，使遠(yuǎn)處星光的亮度變化多出一個(gè)尖峰，這個(gè)尖峰可以用來(lái)判斷系外行星的存在并計(jì)算出它的質(zhì)量｜ 來(lái)源：Paul Hertz， WFIRST－AFTA Science Definition Team Final Report

○ 觀測(cè)太陽(yáng)系內(nèi)天體，如矮行星、彗星、小行星。

星冕儀的科學(xué)目標(biāo)有：

○ 用直接成像法觀測(cè)至少幾十顆系外行星。使用星冕儀觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家可以研究這幾十顆行星的大氣的溫度、云層中的鈉與鉀的譜線特征，確定出這些元素的含量、行星的重力與質(zhì)量。

帕洛瑪（Palomar）天文臺(tái)的508厘米口徑的海爾（Hale）望遠(yuǎn)鏡用直接成像法拍出的圍繞恒星HR 8799運(yùn)轉(zhuǎn)的3個(gè)系外行星的像。恒星發(fā)出的光已經(jīng)被星冕儀遮擋，用綠色叉表示 ｜ 來(lái)源：NASA／JPL－Caltech／Palomar Observatory

在觀測(cè)系外行星方面，羅曼的能力比哈勃強(qiáng)大得多，并可以與已經(jīng)退役的系外行星獵手開(kāi)普勒（Kepler）望遠(yuǎn)鏡與正在服役的凌星系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）獲得的系外行星的數(shù)據(jù)互補(bǔ)。

我們可以發(fā)現(xiàn)，寬場(chǎng)設(shè)備與星冕儀在系外行星領(lǐng)域產(chǎn)生了交叉。據(jù)估計(jì)，在羅曼執(zhí)行任務(wù)期間，它可以發(fā)現(xiàn)大約2600顆系外行星，其中有370個(gè)系外行星的質(zhì)量約等于或小于地球的質(zhì)量。

在上面的基礎(chǔ)上，天文學(xué)家可以篩選出那些位于允許液態(tài)水存在并可能發(fā)展出生命的區(qū)域（“宜居帶”）的系外行星。這對(duì)于搜尋外星生命具有重要意義。

與哈勃、韋伯相比，羅曼優(yōu)勢(shì)何在？

哈勃在過(guò)去30年拍下了大量震撼人心的美圖，但卻很少拍攝近距離的星系的全景，這是因?yàn)榻�距離星系在天空中的視角遠(yuǎn)大于哈勃上的儀器的視角，需要多次逐塊拍攝才可以拼接出全景圖。

我們?cè)谏厦嬉呀?jīng)簡(jiǎn)單對(duì)比了羅曼與哈勃的視場(chǎng)大小。這里不妨用幾個(gè)非常重要的項(xiàng)目來(lái)進(jìn)一步比較它們?cè)趻呙栌钪鏁r(shí)的效率。

我們先看看它們?cè)谂臄z仙女座星系（M31）時(shí)的效率�！叭�色哈勃仙女座星系珍寶”（PHAT）項(xiàng)目組曾用哈勃拍攝仙女座星系的星系盤(pán)區(qū)域的三分之一。為完成這個(gè)目標(biāo)，項(xiàng)目組用哈勃逐塊拍攝了大量照片，最后拼接了432個(gè)采集區(qū)域，得到一個(gè)大范圍的照片。

圖中鋸齒狀邊緣圍住的區(qū)域由哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的432的采集區(qū)域拼接得到，整個(gè)M31的照片為R． Gendler用地面望遠(yuǎn)鏡所拍攝 ｜ 來(lái)源：Credit： NASA， ESA， J． Dalcanton， B． F． Williams， L． C． Johnson， the PHAT team， and R． Gendler