測試相對論尋找類地球

編譯 劉聲遠

計劃在2027年5月之前發(fā)射的“羅曼號”太空望遠鏡，肩負兩項重任——

2021年9 月29 日，美國宇航局宣布將在2027 年5 月之前發(fā)射“羅曼號”太空望遠鏡（以下簡稱羅曼號）。

羅曼號的原定名稱為“廣角紅外巡天望遠鏡”。有關(guān)該望遠鏡的計劃早在2010 年就已正式提出，但計劃的實施過程因多種原因一再推遲。羅曼號直徑2.4 米的廣角主鏡將搭載兩部科學(xué)儀器：一是超過3 億像素的多頻段可見光及紅外光相機——廣角儀，其分辨率超過“哈勃”空間望遠鏡（以下簡稱哈勃號）；二是高反差、小視場相機及光譜儀——日冕成像儀，它采用新的星光抑制技術(shù)，在可見光和近紅外光波段實施觀測。

羅曼號的廣角儀（示意圖）

羅曼號的日冕成像儀（示意圖）

在羅曼號的設(shè)計中可見到美國宇航局之前提出的“聯(lián)合暗能量”任務(wù)設(shè)計的影子，但羅曼號任務(wù)在多方面都有擴展，其中包括運用引力微透鏡搜尋太陽系外的行星（簡稱系外行星）。那么，科學(xué)家對羅曼號寄予了什么厚望呢？

運用引力微透鏡尋找黑洞（示意圖）

測試宇宙加速膨脹理論

羅曼號團隊指出，這部空間望遠鏡計劃對分布在時空中的數(shù)百萬個星系實施具有突破性的探測，由此對有關(guān)宇宙膨脹加速機制的不同理論進行甄別。羅曼號將采用多種技術(shù)來實現(xiàn)這一甄別，這些技術(shù)主要應(yīng)用光譜學(xué)原理，即探索光線中的色彩構(gòu)成。該技術(shù)將讓科學(xué)家準確測量宇宙在不同時期的膨脹速度，并通過它追溯宇宙的演化歷程。

繪制宇宙恢宏圖景

羅曼號主鏡安裝場景

羅曼號繪制宇宙圖景（想象圖）

除了探索宇宙的膨脹速度，羅曼號還將提供其他宇宙奧秘的線索，幫助科學(xué)家了解第一代星系，繪制暗物質(zhì)地圖，甚至倒推距離地球更近的銀河系本星系群的時空結(jié)構(gòu)。預(yù)計羅曼號提供的宇宙圖景將會非?；趾辏詭椭茖W(xué)家用前所未有的方式破解宇宙奧秘。羅曼號提供的每幅圖像都會包含對眾多天體的精準測量結(jié)果，科學(xué)家可用這些圖像進行相關(guān)的統(tǒng)計研究，而僅僅使用視場較窄的望遠鏡不可能做到這一點。

按照羅曼號的現(xiàn)有設(shè)計，該望遠鏡在升空后短短7 個月內(nèi)的光譜學(xué)調(diào)查就能覆蓋近2000 平方度，即大約整個天空視場的5%。該調(diào)查將揭示在宇宙形成后30 億到60 億年間（即宇宙青春期）形成的1000 萬個星系與地球之間的準確距離。羅曼號之所以能做到這一點，是因為到達它的鏡面的光線早在宇宙年輕時代就踏上了征程。這類測量將幫助科學(xué)家繪制宇宙的網(wǎng)狀宏觀結(jié)構(gòu)，還將查明形成于宇宙更早期（宇宙形成后僅20 億到30 億年間）的200 萬個星系與地球之間的距離，而這些星系是宇宙宏觀結(jié)構(gòu)中迄今尚未被調(diào)查過的對象。

探索宇宙膨脹情況

我們從太空得到的所有信息幾乎都來自光。羅曼號將采用光譜來研究天體，從光譜能得到有關(guān)發(fā)光天體的一些信息，其中包括天體正在離開地球的速度?？茖W(xué)家把天體正在遠離地球的這種現(xiàn)象稱為“紅移”，這是因為：當(dāng)一個天體后退時，地球所接收的來自該天體的所有光的波長都被拉長，并且偏移到更紅光的波長。

不同時期的宇宙

重子聲學(xué)振蕩（藝術(shù)效果圖)

20 世紀20 年代，包括埃德溫·哈勃在內(nèi)的兩名美國天文學(xué)家獲得了一個驚人的發(fā)現(xiàn)：除了極少數(shù)例外情況，絕大多數(shù)星系都正在遠離地球并互相遠離，離開的速度取決于星系與地球、星系與星系之間的距離。星系離開地球正是由于宇宙的膨脹，通過確定星系離開地球的速度，科學(xué)家可以知道星系與地球之間的距離——一個星系的光譜紅移程度越高，則該星系遠離地球的速度越大。

通過測量上千萬個星系的準確方位，羅曼號的光譜學(xué)調(diào)查將幫助科學(xué)家創(chuàng)制宇宙的三維地圖。通過了解星系分布隨著時間和距離的變化情況，科學(xué)家就能窺探宇宙在不同時期的膨脹速度。羅曼號也將把星系距離與剛好來自宇宙爆炸后那段時間的聲波的回聲聯(lián)系起來。這些被稱為“重子聲學(xué)振蕩”的聲波由于宇宙膨脹而隨著時間推移增長，并且通過影響星系分布而在宇宙中留下特征印記。對任何一個現(xiàn)代星系來說，我們更可能在距離它大約5 億光年處發(fā)現(xiàn)另一個星系。而在距離該星系更遠或更近的地方，發(fā)現(xiàn)另一個星系的可能性較低——這就是重子聲學(xué)振蕩的特征印記之一。

甄別兩種重要理論

按理說，宇宙內(nèi)部的引力本該導(dǎo)致宇宙膨脹減速。但科學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹正在加速，這意味著現(xiàn)有的宇宙理論要么有錯，要么不完整。那么，究竟屬于哪種情況呢？要想回答這個問題，科學(xué)家提出了兩種推測：一是宇宙中存在暗能量；二是愛因斯坦引力理論——廣義相對論需要修正。無論這兩種情況中哪一種成立，宇宙膨脹加速之謎都會迎刃而解。

對描述引力這類基本現(xiàn)象的方程式進行修改，聽起來可能有些極端，但這種事之前還真有過。牛頓引力定律不能解釋科學(xué)家所觀測到的一些現(xiàn)象，例如水星軌道的一種很小而又神秘的進動?？茖W(xué)家最終意識到，愛因斯坦的廣義相對論能完美地解釋這個進動。通過改變我們觀測時空的方式，從牛頓引力理論向愛因斯坦引力理論的轉(zhuǎn)變最終促生了現(xiàn)代物理學(xué)。自此，科學(xué)家不再把時空視為獨立不變的，而是視為相互聯(lián)系和不斷變化的。

自宇宙大爆炸開始的時間表（單位：十億年）

宇宙膨脹加速可能表明愛因斯坦引力論也不是完全正確的。在太陽系規(guī)模上，廣義相對論是完全正確的。但在更大的宇宙中，科學(xué)家對廣義相對論的信心似乎不足。羅曼號團隊模擬了羅曼號的功能，認為它拍攝的既宏大又深遠的宇宙立體圖像將為甄別有關(guān)宇宙膨脹的現(xiàn)有理論提供幫助。是應(yīng)該用暗能量來解釋宇宙膨脹加速，還是應(yīng)該通過修改愛因斯坦引力理論來解釋？羅曼號能同時對這兩種情況進行驗證。

探索太空塵埃 尋找類地球

科學(xué)家推測，宇宙中不乏類似地球的行星（想象圖）

羅曼號團隊還指出，羅曼號能探測遍布在附近行星系統(tǒng)可居住地帶（恒星周圍溫度并非太高，因此液態(tài)水可能存在于恒星附近空間區(qū)域中的行星上。這些區(qū)域被稱為行星系統(tǒng)可居住地帶）中的特殊類型塵埃。查明這些系統(tǒng)中這類塵埃的數(shù)量，將有助于科學(xué)家更多了解巖石行星的形成機制，并且通過未來的探測任務(wù)尋找可居住的行星——類地球。

在太陽系中，黃道塵埃（大多是小行星碰撞及彗星解體而留下的小巖石顆粒）在從太陽附近到火星與木星之間的小行星帶都有分布。從一定的距離外看去，黃道塵埃在太陽系中的亮度僅次于太陽亮度。而在其他行星系統(tǒng)中，黃道塵埃這個名字被改成黃道外塵埃，這種塵埃形成的光暈會散射來自主恒星的光線，這導(dǎo)致我們很難看見其他行星。

如果發(fā)現(xiàn)一顆恒星周圍沒有多少黃道外塵埃，那么通過未來任務(wù)去探測該恒星周圍可能存在的行星就相對容易。而如果發(fā)現(xiàn)黃道外塵埃很多，科學(xué)家也能探索各種有趣的謎題：這些塵埃的來源是否也是小行星和彗星？這些塵埃怎樣影響被它們隱藏的行星的亮度和行星的分布？換句話說，探測黃道外塵埃對于科學(xué)探索來說是雙贏的。

揭示被隱藏的行星

通過探索黃道外塵埃，科學(xué)家能找到有關(guān)其他行星系統(tǒng)模樣的線索。因為更多數(shù)量的彗星會產(chǎn)生更多的黃道外塵埃，所以黃道外塵埃的數(shù)量可說明彗星的活動情況。通過探索黃道外塵埃的分布情況，科學(xué)家能推測周圍行星的情況，這是因為行星可能會以自己的引力影響黃道外塵埃，例如在這些塵埃中造成空白軌跡。

科學(xué)家指出，他們依然對黃道外塵埃知之甚少，原因是它們太靠近主恒星，所以被主恒星的耀眼光芒淹沒，很難被觀測到。雖然并不能確定羅曼號將在不同的行星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)什么，但科學(xué)家對它充滿期待：畢竟，羅曼號搭載的儀器能探索行星系統(tǒng)中的可居住地帶，而且羅曼號是迄今唯一可能進行這類探索的航天器。

地球在宇宙中或許并不孤單

羅曼號可能將采用日冕成像儀來阻擋主恒星的星光，從而對行星系統(tǒng)中的塵埃所反射的可見光進行精確測量。位于地球表面的望遠鏡難以進行這種測量，原因是地面望遠鏡很難看穿地球動蕩的大氣層，因而難以觀測到黃道外塵埃。

羅曼號搭載的日冕成像儀配備有特殊的感應(yīng)器和可變形鏡面，它們能實時、主動測量和抵消星光，提供比哈勃號的被動型日冕儀能提供的精度高得多的圖像，從而讓科學(xué)家可能發(fā)現(xiàn)以相對近距離環(huán)繞主恒星的溫度較高的塵埃。

通過發(fā)現(xiàn)碎屑盤尋找行星（想象圖）

給未來任務(wù)探路

哈勃號觀測過遠離主恒星（比海王星距離太陽還遠得多）的低溫碎屑盤，但迄今為止還沒有任何航天器或地面望遠鏡能夠拍攝位于可居住地帶的溫暖塵埃。雖然之前有探測項目對可居住地帶的黃道外塵埃進行過預(yù)測量，但羅曼號圖像拍攝的靈敏度會高得多，這要歸因于羅曼號搭載的高新日冕儀和羅曼號在太空中的穩(wěn)定位置。羅曼號將在遠離地球160 萬千米的地方環(huán)繞拉格朗日L2 點運行，而不是像哈勃號那樣在低地球軌道中運行，這就意味著羅曼號的觀測不會像哈勃號那樣受環(huán)境條件干擾，因而羅曼號的觀測將更精準。

為靠近主恒星的溫暖碎屑拍照很重要，原因是這些碎屑的物質(zhì)構(gòu)成與塵埃盤外圍的不同：在靠近主恒星的地方，塵埃盤中主要是巖石顆粒；而在遠離主恒星的地方，塵埃盤中主要是冰粒。在這遠近兩個區(qū)域，碎屑由不同的過程產(chǎn)生，因此，通過探測黃道外塵?；瘜W(xué)組成，就能夠獲得僅僅通過觀測塵埃盤外側(cè)區(qū)域所不能獲得的信息，從而讓科學(xué)家了解塑造行星系統(tǒng)的機制，為拍攝行星可居住地帶的未來任務(wù)提供重要的參考信息。具體而言，通過了解潛在的行星被多大數(shù)量的黃道外塵埃遮擋，科學(xué)家就能確定需要多大的望遠鏡才能看穿這些塵埃。在這方面，羅曼號的日冕成像儀將為尋找類地球行星打好基礎(chǔ)。