NASA 南希·格雷斯·罗曼太空望远镜隐藏的技术飞跃

两面小到可以放在掌心的镜子，或将改变我们理解宇宙的方式。

NASA 的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜即将迎来发射窗口。望远镜的主仪器将为几乎所有天体物理学领域提供重要信息，而藏在其中的还有一台专用日冕仪——这套实验设备将首次尝试直接捕捉行星表面反射的星光。这是一项雄心勃勃的工程，NASA 希望它能为未来的太空望远镜铺路，让人类有朝一日得以一窥环绕类太阳恒星运行的类地行星。

以当前的工程技术，还远远做不到这一点——这正是 NASA 要先让 Roman 验证这项基础技术的原因。NASA 喷气推进实验室天体物理学家、日冕仪仪器科学家 Vanessa Bailey 说：“我们将首次在太空中测试它，从而弄清楚还需要完成哪些工作。”

从本质上说，日冕仪就是一种服务于科学观测的遮光罩：它能挡住明亮恒星的光，让原本淹没在强光中的微弱天体显现出来。过去已有类似仪器进入太空——Hubble 和 James Webb 太空望远镜都配备了日冕仪。但 Roman 搭载的日冕仪比前代设备先进得多，主要得益于自适应光学技术。这项技术可以调整望远镜镜面的形状，抵消光线畸变。不过，它仍面临一项艰巨挑战：NASA 将 Roman 日冕仪的任务比作从美国另一端拍摄一只停在探照灯旁边的萤火虫。

加州非营利研究机构 SETI Institute 的系外行星科学家、Roman 日冕仪科学团队负责人 Margaret Turnbull 说：“哪怕只有一丝星光落在错误的位置，都可能毁掉整片图像。”

这项技术已经是先进地面望远镜的标配，包括智利的 Very Large Telescope 和夏威夷的双子座 Keck Observatory。自适应光学系统会监测地球大气层中厚重且不断变化的气流扰动——它们会模糊星光——从而帮助天文台拍出更清晰的图像。

太空望远镜通常不需要自适应光学，毕竟它们位于大气层之外，不受这种干扰影响。但过去从来没有太空望远镜尝试寻找那些古老、寒冷、完全依靠反射星光来显现的行星。

Roman 成功的关键，就在于那两面手掌大小的镜子。每面镜子都配有约 2,300 个微型执行器，通电后会发生膨胀，以极其细微的幅度改变镜面形状，从而抵消干扰。这也是 NASA 首次将主动式可变形镜面送入太空。

不过，光靠镜子还远远不够。系统需要极其灵敏的探测器来放大单个光子的信号，因为仪器从每颗行星接收到的光子数量少得可怜。此外，还有日冕仪的核心部件——遮星板。Roman 配备的是一组精密得令人惊叹的掩模。负责领导加州大学天文台以及 Roman 日冕仪科学团队的天文学家 Bruce Macintosh 称，它们是“美丽而复杂的形状”，在现有太空设备中独一无二。“Hubble 的遮星板完全靠蛮力工作，说白了就是一小块挡在恒星前面的金属，”他说。

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Roman 日冕仪运行期间，工程师将收集大量测试数据，评估它在太空中的表现，并找出需要改进的问题，为类似技术的下一次升空做准备。科学家还会用几颗已知系外行星来测试日冕仪，看看它能否成功发现它们。

Turnbull 说：“如果整个流程走完，我们却什么都看不到，那就说明日冕仪出了问题，因为那些行星确实存在。”仪器还将观测几颗周围环绕着尘埃或碎屑云的恒星。这些观测或许能揭示由尚未被发现的行星造成的空隙，也会让科学家从全新的角度认识：相比其他恒星系统，我们太阳系中的尘埃和碎屑究竟算不算多。

Roman 的 coronagraph 将为未来寻找更小行星的望远镜提供全方位的经验，包括 NASA 希望在 2040 年代发射的 Habitable Worlds Observatory。后者需要配备效率最高提升至 100 倍的 coronagraph；此外，埃里克·施密特（Eric Schmidt）担任 Google CEO 期间创立的研究机构今年 1 月宣布，计划发射的 Lazuli Space Observatory 也将搭载一台配备自适应光学、灵敏度几乎与 Roman 相当的 coronagraph。虽然观测外星世界是最令人期待的用途，但未来 coronagraph 也可能帮助天文学家观测双星，或发现隐藏在明亮类星体附近的天体。

NASA 马里兰州戈达德太空飞行中心天体物理学家、Roman 首席项目科学家 Julie McEnery 表示，Roman 是迈向这一未来的关键第一步，而它沿途为科学家带来的种种惊喜，也将反过来助力未来发展。

她说：“显然，要证明某项技术确实有效，最好的办法就是用它做出有趣的科学发现。”