罗曼望远镜：以千倍暗度直接拍摄系外行星

罗曼望远镜即将升空：直接成像系外行星的里程碑

由美国国家航空航天局（NASA）主导研发的罗曼太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）已准备就绪，计划于2026年8月30日发射升空，前往距离地球约150万公里的日地拉格朗日L2点。这颗望远镜以NASA现代科学计划的奠基人南希·格雷斯·罗曼命名，其主镜直径为2.4米，是哈勃望远镜的复制品，但视野和灵敏度大幅提升。

罗曼望远镜搭载两台主要科学仪器：广角巡天仪（WFI）探测面积是哈勃的100倍，计划在五年内覆盖比哈勃30年观测面积大50倍的天空区域；日冕仪（CGI）则专注于直接成像已知的系外行星。这是未来寻找类似地球的岩石行星的关键技术验证。

两大间接探测法：凌星法与微引力透镜

广角巡天仪将使用两种间接方法发现新行星：

凌星法：通过测量行星经过恒星前方时造成的微小亮度下降，预计可发现约10万颗新行星。该方法擅长探测距恒星较近的热气体巨行星。
微引力透镜：利用恒星引力弯曲背景星光，放大远距离行星信号，预计可额外发现1000颗行星。这种方法对冷行星更敏感。

这两种方法都无法直接拍摄行星图像，只能通过光度变化推断存在。

直接成像的挑战与CGI突破

直接拍摄系外行星是天文成像的最大挑战之一。从地球上看，目标行星的亮度仅为母星的十亿分之一——这相当于木星与太阳的亮度差。现有地面望远镜的日冕仪只能拍摄距恒星较远、自身发出红外辐射的炽热气体巨行星。

罗曼望远镜的CGI设计目标是将可成像系外行星的亮度极限降低1000倍，使得能够拍摄仅反射母星光芒的冷行星（如类似木星的天体）。为此，CGI必须对光学系统进行极高精度的机械对准，以消除星点伪影和大气湍流（在太空中主要来自望远镜自身光学扰动）。

为解决后者，CGI采用了自适应的光学技术：一块可实时变形的小镜每秒调整上千次，抵消光学系统的像差。这种技术在地面大型望远镜（如在建的极大望远镜）中常见，但在太空中实施需要克服计算资源有限的挑战。

精密对准机制：让光学元件稳定如发丝

CGI的最高精度来自其核心机械系统——精密对准机制（PAM）。由德国海德堡的马克斯·普朗克天文研究所（MPIA）设计并制造了6个正式飞行型号，以及6个用于地面测试的工程模型。这些模块被永久安装在日冕仪中，负责精准定位和稳定内部的掩模、滤光片和反射镜。

性能要求极为苛刻：在8小时的长期观测中，各光学元件的倾斜量不得超过40毫角秒。这个角度有多小？3.6百万毫角秒才是1度。换句话说，从海德堡观察洛杉矶的一个人，他张开的嘴所张角度恰好等于40毫角秒。

制造与测试：飞向太空的组件诞生记

MPIA的工程师团队在本所车间和实验室完成了PAM的全流程设计、加工和测试。von Hoerner & Sulger公司协助制造。MPIA的Monica Ebert负责监督分系统的设计与总装，她回顾道：“当看到飞行型号的每一个零件摆在我面前时，我才真正意识到，这些组件即将飞入太空并探索未知。组装需要最大的专注度。”

团队还制作了一套“寿命模型”，进行了超过2.7万次运动测试——这约是正式飞行型号预期应力的两倍。如此极限测试旨在最大限度减少发射后无法维修的风险，因为罗曼望远镜不像哈勃那样可被宇航员维护。

从太空光学到类地行星的蓝图

MPIA红外天文研究组组长Oliver Krause表示：“罗曼望远镜的CGI是有史以来部署用于空间研究的最先进的光学观测仪器。”如果初期在轨测试成功，CGI将向全球天文学家开放，用于系外行星研究。

更长远看，CGI的技术为未来的“宜居世界天文台”（Habitable Worlds Observatory）铺平道路。这个构想中的新型望远镜需要至少6米直径的主镜，以及同样复杂的日冕仪，才能直接拍摄出类似地球的第二颗行星。Krause总结道：“将来要找到并研究第二个地球，我们需要一个集成了CGI全部复杂性的强大日冕仪。在技术上，CGI是实现这一目标的关键里程碑。”

发射后规划：90天调试，2027年首批科学图像

发射后，由NASA、日本和欧洲科学家组成的“社区参与计划”核心团队（Krause也是成员）将在旅程中逐步开启望远镜。整个调试过程预计90天——相当于飞到L2点所需的时间。第一批科学图像预计在2027年初返回地球。

麦克斯·普朗克研究所还将继续参与罗曼望远镜技术数据和科学数据处理软件的开发，并协助观测计划与准备工作。一些长期巡天项目（如搜索银河系盘面中的未知行星和黑洞）将持续数年。

关键概念：天文摄影、引力透镜、空间望远镜

原标题：Roman telescope aims to directly image exoplanets 1,000 times fainter than current limits。来源：phys.org。

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