NASA Roman 望远镜将利用变形镜寻找“地球 2.0”

NASA 即将推出的 Nancy Grace Roman 太空望远镜将通过一种精妙的恒星光“消失术”来彻底改变系外行星的发现方式。通过利用先进的主动波前控制技术，该任务旨在直接拍摄行星图像，而这些行星此前一直淹没在宿主恒星那压倒性的强光之中。

主动波前控制的精度

虽然哈勃（Hubble）和詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）等现有天文台使用静态日冕仪来遮挡星光，但它们往往难以应对由微观镜面缺陷引起的杂散光干扰。Roman 太空望远镜引入了一种范式转变：首个天基“主动”日冕仪。

这项技术的核心是两面可变形镜，每面镜子都拥有由 48x48 个驱动器组成的棋盘状布局。这些微小的活塞就像微型手指一样，通过施加电压来拉动薄玻璃片。其精度令人惊叹：镜面的变形量小至 10 皮米——大约只有氢原子直径的十分之一。这使得望远镜能够执行“主动波前控制”，其作用类似于光学的“降噪耳机”。通过塑造镜面以抵消不需要的光波，该系统可以在恒星周围创造出一个“甜甜圈状”的黑暗区域，从而为观测附近的行星提供清晰的窗口。

超越“热木星”时代

迄今为止，大多数被成像的系外行星都是“热木星”——即轨道极度靠近其宿主恒星的巨大、发光的类木气态巨行星。它们的体积和热量使其在红外光下极易被探测到，但它们并不能代表我们自己的太阳系。

Roman 太空望远镜旨在弥补这一差距。通过将探测系外行星相对于恒星强光的灵敏度提高多达 1,000 倍，它将能够直接对“类木行星”进行成像。这些是成熟且温度较低的气态巨行星，它们在类似于太阳的恒星周围运行，轨道距离与我们的木星相似，通过反射光线而非发出强烈热量来被观测。这一能力是实现探测类地世界这一终极目标的关键垫脚石。

观测尺度的巨大飞跃

Roman 太空望远镜不仅关乎精度，更关乎尺度。该望远镜配备了一个 3 亿像素的宽视场相机，在同等分辨率下，其捕获的图像面积大约是哈勃最宽曝光范围的 100 倍。

这种巨大的视场结合高分辨率成像，使天文学家能够从“采访少数几个人”转变为“进行全球人口普查”。除了系外行星，该任务还承担着通过引力微透镜效应探测约 10 万颗新行星，以及研究暗物质和暗能量神秘属性的任务。为了确保光线不会在内部机械结构中乱反射，NASA 甚至采用了“硅草”（silicon grass）——一种由微观尖刺组成的丛林，旨在捕捉并吸收杂散光子。

核心要点

• 主动波前控制： Roman 使用带有数千个驱动器的两面可变形镜来塑造光线，与现有技术相比，将系外行星探测的灵敏度提高了多达 1,000 倍。
• 寻找类木行星： 与以往专注于巨大“热木星”的任务不同，Roman 抑制星光的能力使其能够直接对类似于我们木星的成熟、较冷的气态巨行星进行成像。
• 前所未有的尺度： 凭借 3 亿像素的宽视场相机，该任务将对宇宙进行一次“普查”，旨在探测 10 万颗新的系外行星，并揭开有关暗能量和暗物质的奥秘。