旗艦級太空天文台羅曼太空望遠鏡發射升空 星空掃描速度前所未有 與此前的哈勃和韋伯望遠鏡有什麼不同 | 09/01 馬克時空

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8月30號
跨時代的旗艦級太空天文臺
南希格雷斯·羅曼太空望遠鏡
搭乘SpaceX的獵鷹重型火箭順利升空
獵鷹重型火箭的兩側助推器
成功返回發射場降落回收
而新一級推進器則沒有回收
羅曼太空望遠鏡歷時十多年研發
耗資超過40億美元
它的名稱是爲了紀念
美國最傑出的天文學家之一
南希格雷斯·羅曼
它被譽爲哈勃之母
而哈勃太空望遠鏡開啓了
人類在地球大氣層之外
高清晰度觀測宇宙的時代
羅曼太空望遠鏡
是美國國家航空航天局NASA
送入太空的第三個大型望遠鏡
在它之前
已經有了哈勃和詹姆斯韋伯望遠鏡
那麼爲什麼NASA要發射羅曼望遠鏡
它與哈勃和韋伯望遠鏡有什麼不同呢
今天我就聊聊這個話題
大家已經看到新聞報道中說
羅曼太空望遠鏡的市場
比哈勃望遠鏡大100倍左右
也遠比著名的詹姆斯韋伯望遠鏡更寬闊
經過大約100天的飛行後
它將抵達距離地球150萬公里的
絕佳觀測點
在那裏對廣闊的太空區域進行掃描
羅曼望遠鏡的身世
說起來比很多科幻電影還離奇
故事要從2010年講起
當年美國國家科學院發佈的
十年巡天調查報告
擺架廣角紅外巡天望遠鏡
列爲最優先發展的大型任務
當時的代號叫WFIRST
但真正的轉折點發生在2012年
美國國家偵察局也就是NRO
把兩顆功能等同哈勃等級的
間諜衛星硬體
無償捐給了NASA
這兩顆衛星原本是設計用來
對地觀測的
但因爲NRO自己的計劃超值被砍掉了
才輾轉落到了NASA手上
2016年
NASA正式啓動WFIRST任務
把這顆間諜衛星徹底拆解重組
拆掉所有的電子系統
加裝全新的紅外相機和日冕儀
硬生生把一顆用來監視
低面目標的軍用衛星改造成了一架
望向深空的天文觀測站
這中間並非一帆風順
2021年
新冠疫情衝擊供應鏈與人力
任務被迫重新規劃預算
2025年
更一度面臨川普政府瘦身預算提案
年度開發經費一口氣被砍到
只剩下1.56億美元
還不到一年前的一半
哥達德太空飛行中心的工程團隊
在裁員壓力和人才流失的雙重夾擊下
硬是把合格測試撐了下來
索性2025年11月與12月
望遠鏡的內外段順利完成組裝
比原定時程還提早了將近9個月
值得一提的是
望遠鏡最後定名爲羅曼
是爲了紀念NASA首任首席天文學家
南希格雷斯·羅曼
她是NASA歷史上第一位女性高階主管
被譽爲哈勃之母
因爲早在哈勃望遠鏡真正動工建造之前
就是她大力遊說國會和NASA支持
把望遠鏡送上太空這個構想
哈勃望遠鏡1990年4月24號發射升空
開啓了人類在地球大氣層之外
高清晰度觀測宇宙的時代
用她的名字命名這架望遠鏡
某種程度上也是一種傳承的敘事
哈勃是她一手催成的成果
羅曼則是接棒延續她理念的下一代旗艦任務
羅曼太空望遠鏡主鏡口徑2.4米
與哈勃完全相同
但重量只有186公斤
是哈勃主鏡重量的四分之一
整體重量約8000公斤
加滿燃料後達到10500公斤
發射時攜帶了290加倫的聯安燃料
羅曼望遠鏡有兩個核心科學儀器
第一個是廣角儀
代號WFI
這是一臺超過三億像素的可見光及近紅外相機
它的成像銳利度跟哈勃不相上下
但單張畫面涵蓋的天氣面積達到0.28平方度
是哈勃相機的100倍
換句話說
哈勃需要拍100張照片才能拼接完成的天區
羅曼一次曝光就能夠全部涵蓋
更誇張的對比是跟韋伯望遠鏡相比
羅曼一張紅外影像的涵蓋範圍是韋伯的50倍
這代表當韋伯正專注放大鏡
盯着某個特定天體細看的時候
羅曼可以同時掃描一大片天空
替韋伯找出下一批值得深入研究的目標
或是捕捉韋伯視野以外
那些稍縱即逝的天文現象
第二個核心儀器是日冕儀
代號CGI
這是一臺高對比度相機兼光譜儀
運用最先進的星光遮蔽技術
設計目的是直接壓制母恆星的耀眼光芒
讓天文學家能夠直接拍到繞行其他恆星的系外行星本體
而不只是靠間接的靈日或重力效應去推測行星的存在
大家先休息一下
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玄寶黑深選用的是韓國六年生高麗蔘
遵循四百年古法工藝久蒸久鋪
歷時六十天純手工製作而成
經過九次蒸曬
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營養更豐富
且更好吸收
這也是黑深被視爲滋補上品的重要原因
在古代因爲製成繁複
產量稀少
黑深只作爲宮廷專用的珍品
象徵尊貴與稀有
玄寶黑深目前有兩種形式
一種是完整原身
精野生蜂蜜金字
口感Q彈且軟糯
另一種是黑深口服液
不論是開袋忌食
泡水飲用
還是煲湯都非常合適
除了黑深
胡瑞堂也推出了植物魚油
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講到這裏
很多觀衆應該好奇
羅曼
哈勃
韋伯
這三架太空望遠鏡
到底誰比誰更厲害
答案是
它們根本不是互相取代的關係
而是三種完全不同的分工邏輯
哈勃1990年發射
主鏡2.4米
主要涵蓋可見光
近紫外到近紅外波段
運行在近機軌道
優點呢
是能讓太空人親自上去維修升級
過去35年間經歷了5次維修任務
包括髮射後才發現主鏡有球面相差
瑕疵的緊急補救
它的角色呢
是用高解析度盯着單一天體或小範圍天區做精細觀測
韋伯2021年發射主鏡口徑高達6.5米
專攻近紅外到中紅外波段
運行在日地拉格朗日二號點
簡稱日地L2點
射擊任務呢
是看得更遠更暗
去捕捉宇宙最早期星系的誕生過程
與恆星行星系統的形成細節
它的視野窄
適合對少數目標做深度光譜分析
但完全沒有維修能力
是一反兩瞪眼的豪賭型任務
羅曼2026年發射主鏡跟哈伯一樣是2.4米
但視野是哈伯的100倍
同樣運行在日地L2點
它的定位是統計學意義上的尋天普查者
透過觀測數十億星系的形狀與距離
繪製暗能量驅動宇宙加速膨脹的歷史軌跡
檢驗廣義相對論在宇宙尺度上是否依然成立
同時結合重力微透鏡法
對銀河系內的系外行星進行史上最大規模的統計普查
一個貼切的比喻是
哈伯和韋伯是拿着高倍望遠鏡盯着特定星系細看
羅曼則是派空拍機把整片天空一次掃過去
篩選出哪些目標值得再派哈伯或韋伯去深入研究
三者的開發成本也很能說明問題
哈伯發射時花費約15到20億美元
韋伯原始預算只有5億美元
最後暴增到近100億美元
時程延宕超過20年
成爲NASA史上最著名的超支案例
羅曼的總花費約43億美元
開發時程從2010年正式啓動算起約10年
如果從2010年概念提出算起接近20年
他能用不到韋伯一半的預算做出等級相當的旗艦任務
關鍵就在於前面提到那顆白撿來的間諜衛星硬體
省下了主鏡本體從零開始磨製與測試的天價成本
而且有了韋伯望遠鏡的經驗
羅曼的後期組裝和測試進度明顯加快了
羅曼和韋伯都選擇了日地L2點作爲觀測基地
這個位置距離地球約150萬公里
是月球距離的四倍遠
選擇這裏的核心理由是望遠鏡
地球太陽在這個位置近乎同一直線排列
只需要一套遮陽罩
就能同時擋住太陽地球月球三個方向的光和熱
讓儀器維持在極低溫且極度穩定的環境
極低的溫度對於紅外觀測至關重要
因爲望遠鏡本身散發的熱補射
就容易蓋過想要捕捉的微弱紅外訊號
作爲第一代太空望遠鏡
哈勃被送到了近地軌道
每90分鐘哈勃就會繞地球一圈
經常被地球本體遮擋視野
還會週期性的穿越地球陰影區
造成溫度劇烈起伏
這對長時間連續觀測是很大的干擾
但L2軌道的代價也是很現實的
因爲距離太遠
人類完全無法親自維修
一旦發生零件故障
基本上只能靠地面遙控排除
沒有第二次挽救的機會
另外燃料一旦耗盡
也無法像近地軌道那樣
單純靠地球引力維持軌道
等於直接宣告任務終結
這也是爲什麼北伯在發射前
必須經歷極其嚴苛冗長的地面測試
因爲他從射擊階段就註定了
打了就回不了頭的命運
不過因爲有了北伯的牽扯之鑑
羅曼望遠鏡一開始就考慮
如何延長工作壽命的問題了
雖然NASA目前完全沒有在L2點
執行維護任務的能力
但羅曼從射擊階段就內建了
載軌加註燃料的界面
而且這套加註界面已經在地面
完成了實際測試驗證
目前羅曼攜帶的燃料量
不僅可以支撐大約五年的主任務
還預計可以額外工作五年
因爲太空望遠鏡都耗資巨大
製造週期也長達十到二十年
造一個很不容易
而且他們製造精良
使用很長時間都不會有問題的
如果只是燃料耗盡就丟棄實在浪費
我們看到哈勃望遠鏡用了三十多年還在工作
北伯和羅曼的硬體都遠超哈勃
如果只用十年就丟棄實在是太可惜了
隨着太空燃料加入技術成爲可行
那麼給太空望遠鏡補充燃料
延長使用時間就是當然的選擇了
回到科學任務本身
羅曼的兩大主軸分別是暗能量普查與系外行星統計
在暗能量這條主線上
羅曼會透過大範圍巡天
測量數十一個星系的形狀分佈與紅移距離
藉此追蹤暗物質如何影響星系的成團與演化過程
並用這些數據反推暗物質驅動宇宙加速膨脹的歷史軌跡
同時檢驗廣義相對論在極大尺度下是否依然成立
以及測量宇宙時空曲率
這是一項純粹依賴海量樣本才能完成的統計工程
任何單一望遠鏡的窄視野都無法勝任
這正是羅曼廣角儀的用武之地
在系外行星這條主線上
羅曼會結合重力微透鏡法
對寧和系內的行星系統進行史上最大規模的統計普查
預計能發現數千個新的系外行星
同時日緬儀還會示範史上最先進的星光遮蔽直接成像技術
替未來搜尋內地行星生命跡象的任務鋪路
這些成果將與韋伯形成互補
韋伯負責對少數已知行星做細緻的大氣光譜分析
羅曼則負責大範圍統計掃描
替韋伯篩選出最值得深入研究的候選目標
太空領域的居民兩用特性
本來就是中美兩國戰略競爭的核心戰場之一
羅曼外星的故事提醒我們
美國在太空偵察
檢控科學探索這三個領域之間的技術轉換能力極爲靈活
一顆退役的偵察衛星硬體都能夠被賦予全新的戰略價值
這種深厚的太空工業和科技的底蘊
正是美國在西太美洋維持對共軍太空堅振與反介入能力優勢的關鍵基礎
好了
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