在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者中，以被譽為“哈勃之母”的天文學(xué)家南�！ち_曼命名的望遠(yuǎn)鏡——羅曼望遠(yuǎn)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(jī)（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(jī)（ACS）視野的大約100倍，并且成像質(zhì)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(xué)目標(biāo)？本文帶你走進(jìn)羅曼空間望遠(yuǎn)鏡的前世今生，領(lǐng)略它的強(qiáng)大

如果要評出當(dāng)今世界上最著名、最有影響力的天文望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shù)據(jù)與美圖，重塑了過去30年人類對宇宙萬物與宇宙自身的認(rèn)知。

但NASA并不滿足于哈勃獲得的成就。為了進(jìn)一步破解宇宙萬物的奧秘，NASA規(guī)劃了多個未來的空間望遠(yuǎn)鏡，其中與哈勃同類的主要有詹姆斯·韋伯（James Webb）空間望遠(yuǎn)鏡（簡稱“韋伯”）與南�！じ窭偎埂ち_曼（Nancy Grace Roman）空間望遠(yuǎn)鏡（簡稱“羅曼”）。

羅曼的藝術(shù)想象圖 ｜ 來源：Neil Gehrels， Kevin Grady

在之前的文章（參見《哈勃望遠(yuǎn)鏡之母：空間天文學(xué)領(lǐng)域的“滅絕師太”》）中，我們介紹了“哈勃之母”南�！じ窭偎埂ち_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(yuǎn)鏡的前世今生，它上面的儀器、它的科學(xué)目標(biāo)與其他一些重要信息。

羅曼的前世：鎖眼－11號衛(wèi)星的黑科技

羅曼的故事要從鎖眼－11號（KH－11）衛(wèi)星說起。

鎖眼系列衛(wèi)星是美國偵察局（NRO）研制的偵查衛(wèi)星，其功能就是拍攝地面上的軍事目標(biāo)，因此它們本質(zhì)上是空間望遠(yuǎn)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(wèi)星的每一代都有多個同款衛(wèi)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(wèi)星具有重要的轉(zhuǎn)折意義：它是世界上最早采用電荷耦合器件（CCD）替代傳統(tǒng)底片并用無線電信號傳輸數(shù)據(jù)到地面的航天器。

鎖眼－11號結(jié)構(gòu)的藝術(shù)想象圖，圖中分別標(biāo)出了推進(jìn)器（Thruster）、航天電子設(shè)備（Avionics）、高分辨率相機(jī)（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(shè)計：設(shè)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(xiàn)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(wèi)星成功使用CCD拍照與無線電數(shù)據(jù)傳輸模式后，加州理工學(xué)院的科學(xué)家與工程師在設(shè)計“寬場與行星照相機(jī)（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(jī)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(wèi)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(dāng)年NASA設(shè)想的大型空間望遠(yuǎn)鏡（即后來的哈勃）的口徑為3米，后來因為預(yù)算太高而被卡了。為降低預(yù)算，NASA經(jīng)過評估，最后決定將望遠(yuǎn)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(tǒng)是由洛克希德（Lockheed）公司根據(jù)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(shè)計不同尺寸的飛船后再制造，而這將推高預(yù)算。這使得哈勃的主鏡面口徑最終被定為2．4米。

此前網(wǎng)上有人說哈勃的主鏡面是當(dāng)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�？怂估�斯（Exelis）公司制造。此外，鎖眼衛(wèi)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(tǒng)、CCD拍照、無線電數(shù)據(jù)傳輸模式（包括數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)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(shù)的發(fā)展，NRO發(fā)展出更強(qiáng)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(nèi)，每個月消耗10萬美元的保管費。作為對比，當(dāng)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(fā)生密切關(guān)聯(lián)的空間望遠(yuǎn)鏡項目啟動了——聯(lián)合暗能量任務(wù)（Joint Dark Energy Mission），縮寫為JDEM。

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

根據(jù)規(guī)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(gòu)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(xué)的最高優(yōu)先級項目。

2012年，NRO的工作人員突然打電話給NASA的一個負(fù)責(zé)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(xù)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(dāng)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(jīng)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?yōu)榇饲邦A(yù)期的3．4倍，而且其成像品質(zhì)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(yuǎn)鏡－天體物理導(dǎo)向望遠(yuǎn)鏡資產(chǎn)”，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(fù)責(zé)人是著名的高能天體物理學(xué)家尼爾·格勒斯（Neil Gehrels，1952－2017），他曾經(jīng)主持NASA的多個非常重要的空間望遠(yuǎn)鏡項目——康普頓伽瑪射線天文臺（CGRO）、雨燕（Swift）衛(wèi)星等，具有非常豐富的空間望遠(yuǎn)鏡項目管理的經(jīng)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(fù)責(zé)人。