NASA新一代太空望遠鏡的變形鏡，或讓我們看見另一個木星

（來源：麻省理工科技評論）

如果一切順利，NASA的南希·格蕾絲·羅曼（Nancy Grace Roman）太空望遠鏡最早將在下月底發(fā)射升空。屆時，它將嘗試完成天文學(xué)史上最精密的一次“隱去恒星”。望遠鏡上搭載了一臺此前從未進入太空的“主動日冕儀”。在拍攝過程中，它能盡可能壓低恒星發(fā)出的強光，讓原本被淹沒在光芒中的行星顯現(xiàn)出來。借助這套設(shè)備，天文學(xué)家有望第一次直接拍到與太陽系行星相似的系外行星。更長遠來看，它也可能為未來尋找“第二個地球”的任務(wù)鋪路。

“我希望未來人們記住它，是因為它成為了尋找地球 2.0 過程中關(guān)鍵的一步。”NASA 噴氣推進實驗室（JPL）的首席機械工程師布蘭登·克里格（Brandon Creager）說。

這臺望遠鏡以 NASA 首任天文學(xué)主管南希·格蕾絲·羅曼（Nancy Grace Roman）命名。它將搭載一臺約 3 億像素的廣角相機，在分辨率相近的情況下，單次拍攝范圍約為哈勃太空望遠鏡最大視野的 100 倍。這項能力將幫助天文學(xué)家進一步研究暗物質(zhì)和暗能量，也有望發(fā)現(xiàn)約 10 萬顆新的系外行星。所謂系外行星，就是太陽系之外的行星。雖然許多行星無法被直接看見，但當天體從更遙遠恒星前方經(jīng)過時，會改變星光傳播的路徑，天文學(xué)家可以由此判斷它們是否存在。

哈佛大學(xué)研究員哈維爾·維亞尼亞（Javier Viana）已有兩個項目入選羅曼望遠鏡競爭激烈的首年觀測計劃。他把這次能力躍升形容為：從“采訪幾個人”一下變成“開展全球人口普查”。

羅曼還搭載了另一臺與日冕儀配合工作的相機。它每次鎖定一個恒星系統(tǒng)，并盡量遮住恒星本身的光。這將讓天文學(xué)家以前所未有的方式觀察恒星周圍的區(qū)域，看到體積更小、亮度更低、也更靠近母恒星的系外行星。“它讓我們有機會真正看到那些以前從未被直接看到的行星。”克里格說。

日冕儀并不是新技術(shù)。哈勃（Hubble）和詹姆斯·韋布（James Webb）太空望遠鏡上都搭載了類似設(shè)備，但它們主要依靠固定結(jié)構(gòu)遮擋恒星刺眼的光芒。這種方法有一定效果，但就像在黑暗房間里尋找螢火蟲時，用手指擋住手電筒。燈泡雖然被遮住了，周圍漏出的光仍然可能蓋過螢火蟲。

在望遠鏡內(nèi)部，這些多余的光可能來自機械結(jié)構(gòu)邊緣，也可能來自鏡面和涂層上極其細微的瑕疵。星光經(jīng)過這些位置時會被散射，形成一個個亮斑。它們不僅可能遮住真正的行星，甚至還可能被誤認為行星。

羅曼望遠鏡的不同之處在于，它會嘗試主動處理這些殘余光線。每次觀測前，系統(tǒng)都會先測量沒有被完全擋住的星光，再進一步將它們壓低。這項技術(shù)被稱為“主動波前控制”。羅曼之所以能做到這一點，是因為內(nèi)部安裝了兩面能夠輕微變形的反射鏡。

每面鏡子的薄玻璃下方，都排列著一個 48×48 的微型致動器陣列。這些致動器類似極小的活塞。通入微弱電壓后，它們會收縮，輕輕拉動對應(yīng)位置的鏡面，就像數(shù)千根微型手指同時調(diào)整鏡子的形狀。而它的調(diào)整幅度極其細微：每一小塊鏡面最多只能移動 0.5 微米，大約相當于一株大腸桿菌長度的四分之一；最小調(diào)節(jié)幅度則只有約 10 皮米。JPL 項目系統(tǒng)工程師伊利亞·波別列日斯基（Ilya Poberezhskiy）說，這大約只有氫原子直徑的十分之一。

通過這些致動器，反射鏡可以把不同位置調(diào)整到精確角度，讓不需要的光波彼此抵消。它的原理有點像降噪耳機，只不過耳機抵消的是聲音，羅曼抵消的是光。當星光被進一步壓低后，恒星周圍會形成一圈較暗的區(qū)域。波別列日斯基說：“我們會在這片區(qū)域壓制星光，并希望從中找到系外行星。”

相比現(xiàn)有的太空日冕儀，這套系統(tǒng)預(yù)計可將行星從母恒星強光中分離出來的能力提升最多 1,000 倍，從而看見此前暗到無法探測的行星。和哈勃、詹姆斯·韋布一樣，羅曼也會使用遮光掩模。它們是放置在光路中的特殊薄片，用來擋住不需要的光子。

其中一種結(jié)構(gòu)被稱為“硅草”：一些掩模表面布滿了微小尖刺，形成類似草叢的結(jié)構(gòu)。在特定工作模式下，這些尖刺可以吸收光線，避免光在望遠鏡內(nèi)部來回反射，最終誤入探測器。光線一旦進入這片微型草叢，就會不斷在尖刺之間反射，并逐漸深入，最終被困在其中，而不是重新彈向相機。

這些反射鏡和掩模共同組成了一套層層過濾的光路系統(tǒng)：盡可能擋住恒星光，同時把微弱的行星光送到最終的探測器中。這套復(fù)雜系統(tǒng)，可能會開啟系外行星直接成像的新階段。

到目前為止，人類直接拍到的系外行星，幾乎都是體積巨大、年齡很輕的氣態(tài)行星，與太陽系中的行星差異很大。它們的質(zhì)量通常是木星的數(shù)倍，還保留著形成初期的熱量，而且距離母恒星非常遙遠，軌道半徑可能是日地距離的幾十倍甚至上百倍。這些行星之所以容易被拍到，是因為它們體積大、溫度高，在紅外波段更亮；同時，它們離母恒星足夠遠，也更不容易被強烈的星光掩蓋。

羅曼望遠鏡則可能直接拍到一顆真正接近木星的行星：質(zhì)量與木星相似，圍繞一顆類太陽恒星運行，與母恒星的距離大約是日地距離的數(shù)倍。它不會像目前常被直接拍到的年輕“熱木星”那樣強烈散發(fā)自身熱量，而更像太陽系中的木星。經(jīng)過數(shù)十億年冷卻后，它主要依靠反射母恒星的光被我們看見。

過去，天文學(xué)家通常通過恒星的輕微擺動來推測這類行星的存在。行星的引力會拉動恒星，使其運動出現(xiàn)周期性變化。羅曼則會直接收集行星反射出的星光。

“我們看的不是恒星，也不是行星給恒星帶來的影響。”約翰斯·霍普金斯大學(xué)天文學(xué)教授梅雷迪思·麥格雷戈（Meredith MacGregor）說，她也參與了羅曼望遠鏡的觀測項目。“我們真正看到的是行星本身。這一點非常重要。”

等到這臺儀器正式投入使用，接下來就是科學(xué)家面對海量數(shù)據(jù)的時候了。“老實說，我甚至有點擔心大家要怎么處理這些數(shù)據(jù)，因為它們實在太多了。”麥格雷戈說，“幾十年后，可能仍然會有人在研究羅曼留下的數(shù)據(jù)。”

不過，短期內(nèi)不要期待看到一張高清的木星照片。羅曼無法把這樣的行星拍成一個輪廓清晰的球體。即使觀測成功，它很可能也只會呈現(xiàn)為幾個像素組成的小亮點。但麥格雷戈認為，這已經(jīng)足夠重要。

羅曼可以借助日冕儀分析這顆行星在不同波長下的光，由此判斷其大氣中可能含有哪些化學(xué)成分。“你原本看到的只是一個光點，但現(xiàn)在可以開始把它理解成一個真正的世界。”她說，“一旦知道了它的大氣成分，就能進一步推測這顆行星表面的狀況，以及那里是否可能存在生命。這是非常大的一步。”

在最初的觀測階段，科學(xué)家和工程師需要驗證一系列關(guān)鍵能力：能否讓恒星始終穩(wěn)定地對準日冕儀掩模中心，能否精確調(diào)整反射鏡，能否在恒星周圍“挖出”那圈暗區(qū)，以及在航天器飛行、溫度不斷變化的情況下，整套系統(tǒng)能否持續(xù)保持穩(wěn)定。

這些結(jié)果將為 NASA 擬議中的“宜居世界天文臺”提供重要參考。對許多研究系外行星的天文學(xué)家來說，這幾乎是一項夢想中的任務(wù)。理論上，它將有能力從一顆類太陽恒星的強光中分離出類地行星的光，而前者可能比后者亮 100 億倍以上。

克里格（Creager）從 2018 年起就參與這套儀器的研發(fā)。他對團隊取得的成果感到非常自豪。“沒有多少人能說，‘我造了一個設(shè)備，它正在拍攝一顆圍繞 50 光年、甚至 100 光年之外的恒星運行的行星。’”

那顆行星或許最終只會顯示為一個微小的亮點，但羅曼真正的突破，是在它周圍人為創(chuàng)造出了一片足夠深的黑暗。

https://www.technologyreview.com/2026/07/22/1140701/shape-shifting-mirrors-roman-space-telescope/