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在哈勃空間望遠鏡的繼任者中，以被譽為“哈勃之母”的天文學家南希·羅曼命名的望遠鏡——羅曼望遠鏡——是最重要兩個之一。它的主鏡面的直徑與哈勃相同，但它的視野是哈勃的第三代寬場照相機（WFC3）的紅外拍攝模式的視野的大約200倍，是哈勃的高級巡天照相機（ACS）視野的大約100倍，并且成像質量不遜色于哈勃，因此被稱為“100個哈勃”。它有什么“黑科技”，又有什么樣的科學目標？本文帶你走進羅曼空間望遠鏡的前世今生，領略它的強大

如果要評出當今世界上最著名、最有影響力的天文望遠鏡，那一定是美國國家航空航天局（NASA）與歐洲航天局（ESA）擁有的哈勃空間望遠鏡（簡稱“哈勃”）。在過去30年的時間里，哈勃獲得了海量的珍貴數據與美圖，重塑了過去30年人類對宇宙萬物與宇宙自身的認知。

但NASA并不滿足于哈勃獲得的成就。為了進一步破解宇宙萬物的奧秘，NASA規劃了多個未來的空間望遠鏡，其中與哈勃同類的主要有詹姆斯·韋伯（James Webb）空間望遠鏡（簡稱“韋伯”）與南希·格蕾斯·羅曼（Nancy Grace Roman）空間望遠鏡（簡稱“羅曼”）。

羅曼的藝術想象圖 ｜ 來源：Neil Gehrels， Kevin Grady

在之前的文章（參見《哈勃望遠鏡之母：空間天文學領域的“滅絕師太”》）中，我們介紹了“哈勃之母”南希·格蕾斯·羅曼（Nancy Grace Roman，1925－2018）的生平與成就。在這篇文章中，我們將介紹以她來命名的空間望遠鏡的前世今生，它上面的儀器、它的科學目標與其他一些重要信息。

羅曼的前世：鎖眼－11號衛星的黑科技

羅曼的故事要從鎖眼－11號（KH－11）衛星說起。

鎖眼系列衛星是美國偵察局（NRO）研制的偵查衛星，其功能就是拍攝地面上的軍事目標，因此它們本質上是空間望遠鏡，只是它們是在太空中對著地面拍照，而不是對著星空拍照。

鎖眼系列衛星的每一代都有多個同款衛星。在這個系列中，1976年12月19日由大力神III－D（Titan III－D）火箭送上太空的第一顆鎖眼－11號衛星具有重要的轉折意義：它是世界上最早采用電荷耦合器件（CCD）替代傳統底片并用無線電信號傳輸數據到地面的航天器。

鎖眼－11號結構的藝術想象圖，圖中分別標出了推進器（Thruster）、航天電子設備（Avionics）、高分辨率相機（High－Resolution Camera）、中繼天線（Relay Antenna）、燃料箱（Fuel Tank）、主鏡面（Primary Mirror）與副鏡（Secondary Mirror） ｜ 來源：Trendsbuzz．com

這個模式直接影響了此后哈勃的設計：設計專家們一度想讓哈勃帶一個底片箱升空，用完底片后讓宇航員上去更換——如果是這樣，現在哈勃的海量精美照片是別指望了。鎖眼－11號改變了這一切。鎖眼－11號衛星成功使用CCD拍照與無線電數據傳輸模式后，加州理工學院的科學家與工程師在設計“寬場與行星照相機（WFPC）”時也采用了CCD成像模式與無線傳輸模式。

1993年，由航天飛機送上太空的宇航員在太空中取出哈勃上面的WFPC ｜ 來源：NASA

鎖眼－11號衛星的主鏡面的口徑是2．4米，與哈勃主鏡面的口徑一樣。這絕不是巧合。

當年NASA設想的大型空間望遠鏡（即后來的哈勃）的口徑為3米，后來因為預算太高而被卡了。為降低預算，NASA經過評估，最后決定將望遠鏡的口徑減小到2．4米。

為什么要降低到2．4米？因為鎖眼－11號的主鏡面口徑是2．4米，容納這個主鏡面的飛船系統是由洛克希德（Lockheed）公司根據這個尺寸定制。如果哈勃采用2．4米的主鏡面，洛克希德公司就可以直接制造容納這么大的鏡面的飛船。如果用其他尺寸，洛克希德就要重新設計不同尺寸的飛船后再制造，而這將推高預算。這使得哈勃的主鏡面口徑最終被定為2．4米。

此前網上有人說哈勃的主鏡面是當年鎖眼－11號不用的主鏡面，這是錯誤的說法。哈勃的主鏡面是由柏爾金－埃爾默（Perkin－Elmer）公司磨制的，而鎖眼－11號的主鏡面由埃克斯利斯（Exelis）公司制造。此外，鎖眼衛星的鏡面磨得深，而哈勃的鏡面磨得淺得多。

盡管主鏡面來源不同，但哈勃太空船系統、CCD拍照、無線電數據傳輸模式（包括數據中繼衛星的使用）甚至總重量都與鎖眼－11號高度相似。

2009年，維修之后被重新放回太空的哈勃 ｜ 來源：NASA

隨著技術的發展，NRO發展出更強更大的主鏡面，有兩個2．4米的主鏡面還沒被使用就被判定為“落伍”，然后就被擱在無塵室內，每個月消耗10萬美元的保管費。作為對比，當年哈勃放在無塵室時每月消耗600萬美元的保管費。

羅曼的今生：從1．3米到2．4米的躍變

兩塊“落伍”的鏡面靜靜躺在無塵室時，一個會在將來與它們中的一塊發生密切關聯的空間望遠鏡項目啟動了——聯合暗能量任務（Joint Dark Energy Mission），縮寫為JDEM。

這個項目由NASA與美國能源部（DOE）聯合出資開發，用以探測神秘的“暗能量”——1998年，兩個互相競爭的小組發現宇宙在幾十億年前開始加速膨脹，后來科學家將推動宇宙加速膨脹的神秘力量稱為暗能量。

根據規劃，用以研究暗能量的JDEM的主鏡面的口徑是1．3米，里面只有一個儀器，由成像器與光譜儀構成。2010年，美國研究委員會10年巡天委員會將這個項目定為未來10年天文學的最高優先級項目。

2012年，NRO的工作人員突然打電話給NASA的一個負責人，說要贈送2塊2．4米的主鏡給NASA。前提是只能用于空間項目之上。NRO如此慷慨的原因似乎是不想繼續為這兩塊鏡面付保管費，但實際上如果將這兩塊鏡面拿去賣，不僅照樣不用支付保管費，還可以賣個相當好的價錢。所以NRO送鏡面給NASA，頗有“寶劍贈英雄”的意味。

對于這個送上門的兩塊鏡面，NASA自然異常驚喜。經過研究討論，NASA決定將其中一塊鏡面安裝到JDEM 之上，替代原來計劃安裝的1．3米口徑的主鏡面。這個變更，使JDEM的采光能力變為此前預期的3．4倍，而且其成像品質可以與哈勃持平。

差不多同時期，JDEM項目的名稱被改為“寬場紅外巡天望遠鏡－天體物理導向望遠鏡資產”，英文縮寫為WFIRST－AFTA。2016年，WFIRST－AFTA被NASA正式立項。同年，項目名稱中的AFTA被省略，簡稱為WFIRST。

這一時期，WFIRST的項目負責人是著名的高能天體物理學家尼爾·格勒斯（Neil Gehrels，1952－2017），他曾經主持NASA的多個非常重要的空間望遠鏡項目——康普頓伽瑪射線天文臺（CGRO）、雨燕（Swift）衛星等，具有非常豐富的空間望遠鏡項目管理的經驗。2017年，格勒斯因胰腺癌病逝，杰弗雷·克魯克（Jeffrey Kruk）成為WFIRST項目負責人。