罗曼的今生：从1．3米到2．4米的跃变

两块“落伍”的镜面静静躺在无尘室时，一个会在将来与它们中的一块发生密切关联的空间望远镜项目启动了——联合暗能量任务（Joint Dark Energy Mission），缩写为JDEM。

这个项目由NASA与美国能源部（DOE）联合出资开发，用以探测神秘的“暗能量”——1998年，两个互相竞争的小组发现宇宙在几十亿年前开始加速膨胀，后来科学家将推动宇宙加速膨胀的神秘力量称为暗能量。

根据规划，用以研究暗能量的JDEM的主镜面的口径是1．3米，里面只有一个仪器，由成像器与光谱仪构成。2010年，美国研究委员会10年巡天委员会将这个项目定为未来10年天文学的最高优先级项目。

2012年，NRO的工作人员突然打电话给NASA的一个负责人，说要赠送2块2．4米的主镜给NASA。前提是只能用于空间项目之上。NRO如此慷慨的原因似乎是不想继续为这两块镜面付保管费，但实际上如果将这两块镜面拿去卖，不仅照样不用支付保管费，还可以卖个相当好的价钱。所以NRO送镜面给NASA，颇有“宝剑赠英雄”的意味。

对于这个送上门的两块镜面，NASA自然异常惊喜。经过研究讨论，NASA决定将其中一块镜面安装到JDEM 之上，替代原来计划安装的1．3米口径的主镜面。这个变更，使JDEM的采光能力变为此前预期的3．4倍，而且其成像品质可以与哈勃持平。

差不多同时期，JDEM项目的名称被改为“宽场红外巡天望远镜－天体物理导向望远镜资产”，英文缩写为WFIRST－AFTA。2016年，WFIRST－AFTA被NASA正式立项。同年，项目名称中的AFTA被省略，简称为WFIRST。

这一时期，WFIRST的项目负责人是著名的高能天体物理学家尼尔·格勒斯（Neil Gehrels，1952－2017），他曾经主持NASA的多个非常重要的空间望远镜项目——康普顿伽玛射线天文台（CGRO）、雨燕（Swift）卫星等，具有非常丰富的空间望远镜项目管理的经验。2017年，格勒斯因胰腺癌病逝，杰弗雷·克鲁克（Jeffrey Kruk）成为WFIRST项目负责人。

2020年5月20日，NASA宣布将WFIRST改名为“罗曼空间望远镜”（“罗曼”）。

罗曼的主镜面是当年为锁眼－11号卫星定制的。它本来被预期用于观测地面目标，因此焦距比哈勃主镜的焦距短得多。因此，它也比哈勃的主镜面磨得深得多。我们可以这么直观理解：罗曼的主镜面磨得像碗那么深，而哈勃的主镜面磨得比碟子还要浅。与之相应的，罗曼的视野比哈勃的视野大得多：哈勃上的相机要拍摄一两百次才可以拍完的天区，罗曼上的相机一次就可以拍完。

因为焦距短，装载罗曼的飞船也比装载哈勃的飞船短得多，因此罗曼被人们戏称为“矮壮版哈勃”。在横截面几乎一样时，飞船短得多也就意味着轻得多：罗曼在升空时的质量是4．166吨，而哈勃升空时的质量是11．11吨，接近罗曼望远镜质量的3倍。罗曼的飞船由哈里斯（Harris）公司制造，这个公司在2015年与制造出罗曼主镜面的埃克斯利斯公司合并。

罗曼的两大设备：宽场设备与星冕仪

望远镜的主镜面只负责采集光线，要进行科学研究，还需要使用各种仪器来接收主镜面搜集到的光，比如各种滤光片与光谱仪。与罗曼望远镜的主镜面配合的仪器有两个。第一个仪器是宽场设备，第二个仪器是星冕仪。

罗曼的结构图，其中右侧淡黄色箭头所指为宽场设备的结构图，左侧白色箭头所指为星冕仪 ｜ 来源：Neil Gehrels， Kevin Grady

宽场设备是罗曼上面用来进行大范围（“宽场”）观测的设备。它由两套部件构成。其中，第一套部件是一个照相机与配套的7个滤光片。其中，照相机由18个CCD探测器拼接而成，总像素达到2．88亿。7种滤光片的观测波长的范围从480纳米到2000纳米，可以观测绿、黄、红光与红外线。

宽场设备的第二套部件是两个光谱仪，用来观测天体的光谱。光谱仪将天体发出的光分解为多种颜色，仿佛彩虹——这就是光谱，用来分解光、得到光谱的仪器就是光谱仪。这两个光谱仪分别是棱镜光谱仪与棱栅光谱仪。棱镜光谱仪的分光工具是一个棱镜，棱栅光谱仪的分光部件是一个棱栅——将棱镜的一侧刻出大量条纹、使其成为“光栅”，即为棱栅。罗曼上面的棱镜光谱仪观测的波长范围从600到1800纳米，对应红色到近红外线范围；棱栅光谱仪观测的波长范围从1000到1930纳米，在近红外线范围。

罗曼上面的宽场设备的结构图，其长、宽、高分别是2．75米、1．85米与1．29米 ｜ 来源：Neil Gehrels， Kevin Grady

宽场设备的照相机单次观测范围是0．281平方度，相当于满月在天空中占据的大小，是哈勃的第三代宽场照相机（WFC3）的红外通道单次观测范围的约200倍，是哈勃的高级巡天照相机（ACS）单次观测范围的约100倍。

罗曼的视场与哈勃以及韦伯上面的相机的视场的对比。图中共有18个白色边框区域，对应罗曼的18个CCD探测器的视场，图下方从左到右分别是哈勃的ACS、哈勃的WFC3与韦伯的NIRCAM的视场大小。 ｜ 来源：Wide－Field InfraRed Survey Telescope－ Astrophysics Focused Telescope Assets WFIRST－AFTA 2015 Report by the Science Definition Team （SDT） and WFIRST Study Office

因此，罗曼非常适合用来对宇宙进行扫描式观测。根据设计，它每5天就可以重新扫描到天空中几十平方度内的任意目标。几十平方度是满月区域的上百倍，是哈勃单次拍摄区域的上万倍。

罗曼的单次拍摄范围是哈勃上面的照相机的100－200倍，但拍出照片的品质却与哈勃不相上下，因此有人直接称呼罗曼为“100个哈勃”。它进行2200平方度的大范围巡天时，极限星等可以达到27等；进行3平方度的小范围深场巡天的极限星等为29等。在曝光1小时的情况下，7个滤光片的观测极限星等都可以达到28等左右。

为便于直观体会这些数字，我们以人的肉眼可以观测到的最暗的星（6．5等）来对比。28等的亮度是6．5等星亮度的4亿分之1，29等的亮度是6．5等星亮度的10亿分之1。

哈勃观测的极限星等是30等，是6．5等星亮度的25亿之1。如果增加相机曝光时间，罗曼望远镜也可以观测30等的光源。比如，宽场设备对超新星进行深度成像时，Z、Y、J、H、F滤光片可以分别观测到28．7、29．5、29．4、29．6与29．7等，都接近或约等于30等。

罗曼的第二个设备是星冕仪。我们知道，太阳的外围有一层帽子状的高温气体，它像帽子一样，因此被称为“日冕”。如果不借助仪器，天文学家只能在日全食时才可以看到日冕。为了可以在平时可以观测到日冕，天文学家发明了一种仪器，它可以遮住太阳发出的光，但不遮住日冕发出的光，从而造成日全食一样的效果。这就是日冕仪。为了观测一些明亮的恒星附近的行星与其他暗淡天体，天文学家发明了类似仪器，用以遮挡恒星发出的光，这就是星冕仪。

罗曼上面的星冕仪也由照相机与光谱仪构成。星冕仪挡住恒星发出的光之后，照相机用来直接拍摄恒星附近的行星与物质盘的图像，光谱仪用来获取这些目标的光谱。

星冕仪上面的照相机视野的边长只有9角秒，光谱仪的视野的边长只有2．2角秒。对应的天区的面积分别只有宽场设备观测面积的1／4500与1／750000，都比宽场设备的视场小得多，适合用来进行固定目标的后续观测，而不能用以巡天。