测试相对论寻找类地球

编译 刘声远

计划在2027年5月之前发射的“罗曼号”太空望远镜，肩负两项重任——

2021年9 月29 日，美国宇航局宣布将在2027 年5 月之前发射“罗曼号”太空望远镜（以下简称罗曼号）。

罗曼号的原定名称为“广角红外巡天望远镜”。有关该望远镜的计划早在2010 年就已正式提出，但计划的实施过程因多种原因一再推迟。罗曼号直径2.4 米的广角主镜将搭载两部科学仪器：一是超过3 亿像素的多频段可见光及红外光相机——广角仪，其分辨率超过“哈勃”空间望远镜（以下简称哈勃号）；二是高反差、小视场相机及光谱仪——日冕成像仪，它采用新的星光抑制技术，在可见光和近红外光波段实施观测。

罗曼号的广角仪（示意图）

罗曼号的日冕成像仪（示意图）

在罗曼号的设计中可见到美国宇航局之前提出的“联合暗能量”任务设计的影子，但罗曼号任务在多方面都有扩展，其中包括运用引力微透镜搜寻太阳系外的行星（简称系外行星）。那么，科学家对罗曼号寄予了什么厚望呢？

运用引力微透镜寻找黑洞（示意图）

测试宇宙加速膨胀理论

罗曼号团队指出，这部空间望远镜计划对分布在时空中的数百万个星系实施具有突破性的探测，由此对有关宇宙膨胀加速机制的不同理论进行甄别。罗曼号将采用多种技术来实现这一甄别，这些技术主要应用光谱学原理，即探索光线中的色彩构成。该技术将让科学家准确测量宇宙在不同时期的膨胀速度，并通过它追溯宇宙的演化历程。

绘制宇宙恢宏图景

罗曼号主镜安装场景

罗曼号绘制宇宙图景（想象图）

除了探索宇宙的膨胀速度，罗曼号还将提供其他宇宙奥秘的线索，帮助科学家了解第一代星系，绘制暗物质地图，甚至倒推距离地球更近的银河系本星系群的时空结构。预计罗曼号提供的宇宙图景将会非常恢宏，以帮助科学家用前所未有的方式破解宇宙奥秘。罗曼号提供的每幅图像都会包含对众多天体的精准测量结果，科学家可用这些图像进行相关的统计研究，而仅仅使用视场较窄的望远镜不可能做到这一点。

按照罗曼号的现有设计，该望远镜在升空后短短7 个月内的光谱学调查就能覆盖近2000 平方度，即大约整个天空视场的5%。该调查将揭示在宇宙形成后30 亿到60 亿年间（即宇宙青春期）形成的1000 万个星系与地球之间的准确距离。罗曼号之所以能做到这一点，是因为到达它的镜面的光线早在宇宙年轻时代就踏上了征程。这类测量将帮助科学家绘制宇宙的网状宏观结构，还将查明形成于宇宙更早期（宇宙形成后仅20 亿到30 亿年间）的200 万个星系与地球之间的距离，而这些星系是宇宙宏观结构中迄今尚未被调查过的对象。

探索宇宙膨胀情况

我们从太空得到的所有信息几乎都来自光。罗曼号将采用光谱来研究天体，从光谱能得到有关发光天体的一些信息，其中包括天体正在离开地球的速度。科学家把天体正在远离地球的这种现象称为“红移”，这是因为：当一个天体后退时，地球所接收的来自该天体的所有光的波长都被拉长，并且偏移到更红光的波长。

不同时期的宇宙

重子声学振荡（艺术效果图)

20 世纪20 年代，包括埃德温·哈勃在内的两名美国天文学家获得了一个惊人的发现：除了极少数例外情况，绝大多数星系都正在远离地球并互相远离，离开的速度取决于星系与地球、星系与星系之间的距离。星系离开地球正是由于宇宙的膨胀，通过确定星系离开地球的速度，科学家可以知道星系与地球之间的距离——一个星系的光谱红移程度越高，则该星系远离地球的速度越大。

通过测量上千万个星系的准确方位，罗曼号的光谱学调查将帮助科学家创制宇宙的三维地图。通过了解星系分布随着时间和距离的变化情况，科学家就能窥探宇宙在不同时期的膨胀速度。罗曼号也将把星系距离与刚好来自宇宙爆炸后那段时间的声波的回声联系起来。这些被称为“重子声学振荡”的声波由于宇宙膨胀而随着时间推移增长，并且通过影响星系分布而在宇宙中留下特征印记。对任何一个现代星系来说，我们更可能在距离它大约5 亿光年处发现另一个星系。而在距离该星系更远或更近的地方，发现另一个星系的可能性较低——这就是重子声学振荡的特征印记之一。

甄别两种重要理论

按理说，宇宙内部的引力本该导致宇宙膨胀减速。但科学家惊奇地发现，宇宙膨胀正在加速，这意味着现有的宇宙理论要么有错，要么不完整。那么，究竟属于哪种情况呢？要想回答这个问题，科学家提出了两种推测：一是宇宙中存在暗能量；二是爱因斯坦引力理论——广义相对论需要修正。无论这两种情况中哪一种成立，宇宙膨胀加速之谜都会迎刃而解。

对描述引力这类基本现象的方程式进行修改，听起来可能有些极端，但这种事之前还真有过。牛顿引力定律不能解释科学家所观测到的一些现象，例如水星轨道的一种很小而又神秘的进动。科学家最终意识到，爱因斯坦的广义相对论能完美地解释这个进动。通过改变我们观测时空的方式，从牛顿引力理论向爱因斯坦引力理论的转变最终促生了现代物理学。自此，科学家不再把时空视为独立不变的，而是视为相互联系和不断变化的。

自宇宙大爆炸开始的时间表（单位：十亿年）

宇宙膨胀加速可能表明爱因斯坦引力论也不是完全正确的。在太阳系规模上，广义相对论是完全正确的。但在更大的宇宙中，科学家对广义相对论的信心似乎不足。罗曼号团队模拟了罗曼号的功能，认为它拍摄的既宏大又深远的宇宙立体图像将为甄别有关宇宙膨胀的现有理论提供帮助。是应该用暗能量来解释宇宙膨胀加速，还是应该通过修改爱因斯坦引力理论来解释？罗曼号能同时对这两种情况进行验证。

探索太空尘埃 寻找类地球

科学家推测，宇宙中不乏类似地球的行星（想象图）

罗曼号团队还指出，罗曼号能探测遍布在附近行星系统可居住地带（恒星周围温度并非太高，因此液态水可能存在于恒星附近空间区域中的行星上。这些区域被称为行星系统可居住地带）中的特殊类型尘埃。查明这些系统中这类尘埃的数量，将有助于科学家更多了解岩石行星的形成机制，并且通过未来的探测任务寻找可居住的行星——类地球。

在太阳系中，黄道尘埃（大多是小行星碰撞及彗星解体而留下的小岩石颗粒）在从太阳附近到火星与木星之间的小行星带都有分布。从一定的距离外看去，黄道尘埃在太阳系中的亮度仅次于太阳亮度。而在其他行星系统中，黄道尘埃这个名字被改成黄道外尘埃，这种尘埃形成的光晕会散射来自主恒星的光线，这导致我们很难看见其他行星。

如果发现一颗恒星周围没有多少黄道外尘埃，那么通过未来任务去探测该恒星周围可能存在的行星就相对容易。而如果发现黄道外尘埃很多，科学家也能探索各种有趣的谜题：这些尘埃的来源是否也是小行星和彗星？这些尘埃怎样影响被它们隐藏的行星的亮度和行星的分布？换句话说，探测黄道外尘埃对于科学探索来说是双赢的。

揭示被隐藏的行星

通过探索黄道外尘埃，科学家能找到有关其他行星系统模样的线索。因为更多数量的彗星会产生更多的黄道外尘埃，所以黄道外尘埃的数量可说明彗星的活动情况。通过探索黄道外尘埃的分布情况，科学家能推测周围行星的情况，这是因为行星可能会以自己的引力影响黄道外尘埃，例如在这些尘埃中造成空白轨迹。

科学家指出，他们依然对黄道外尘埃知之甚少，原因是它们太靠近主恒星，所以被主恒星的耀眼光芒淹没，很难被观测到。虽然并不能确定罗曼号将在不同的行星系统中发现什么，但科学家对它充满期待：毕竟，罗曼号搭载的仪器能探索行星系统中的可居住地带，而且罗曼号是迄今唯一可能进行这类探索的航天器。

地球在宇宙中或许并不孤单

罗曼号可能将采用日冕成像仪来阻挡主恒星的星光，从而对行星系统中的尘埃所反射的可见光进行精确测量。位于地球表面的望远镜难以进行这种测量，原因是地面望远镜很难看穿地球动荡的大气层，因而难以观测到黄道外尘埃。

罗曼号搭载的日冕成像仪配备有特殊的感应器和可变形镜面，它们能实时、主动测量和抵消星光，提供比哈勃号的被动型日冕仪能提供的精度高得多的图像，从而让科学家可能发现以相对近距离环绕主恒星的温度较高的尘埃。

通过发现碎屑盘寻找行星（想象图）

给未来任务探路

哈勃号观测过远离主恒星（比海王星距离太阳还远得多）的低温碎屑盘，但迄今为止还没有任何航天器或地面望远镜能够拍摄位于可居住地带的温暖尘埃。虽然之前有探测项目对可居住地带的黄道外尘埃进行过预测量，但罗曼号图像拍摄的灵敏度会高得多，这要归因于罗曼号搭载的高新日冕仪和罗曼号在太空中的稳定位置。罗曼号将在远离地球160 万千米的地方环绕拉格朗日L2 点运行，而不是像哈勃号那样在低地球轨道中运行，这就意味着罗曼号的观测不会像哈勃号那样受环境条件干扰，因而罗曼号的观测将更精准。

为靠近主恒星的温暖碎屑拍照很重要，原因是这些碎屑的物质构成与尘埃盘外围的不同：在靠近主恒星的地方，尘埃盘中主要是岩石颗粒；而在远离主恒星的地方，尘埃盘中主要是冰粒。在这远近两个区域，碎屑由不同的过程产生，因此，通过探测黄道外尘埃化学组成，就能够获得仅仅通过观测尘埃盘外侧区域所不能获得的信息，从而让科学家了解塑造行星系统的机制，为拍摄行星可居住地带的未来任务提供重要的参考信息。具体而言，通过了解潜在的行星被多大数量的黄道外尘埃遮挡，科学家就能确定需要多大的望远镜才能看穿这些尘埃。在这方面，罗曼号的日冕成像仪将为寻找类地球行星打好基础。