罗曼望远镜的强大能力将带来测量宇宙膨胀率的新维度

这幅哈勃太空望远镜拍摄的图像显示，一个星系嵌入一个巨大的星系团中，其强大的引力产生了其背后遥远的一颗超新星的多幅图像。图像显示了该星系在一个名为 MACS J1149.6+2223 的大型星系团中的位置，距离超过 50 亿光年。在该星系的放大插图中，箭头指向爆炸恒星的多幅图像，该恒星被命名为雷夫斯达尔超新星，距离地球 93 亿光年。资料来源：NASA、ESA、Steve A. Rodney（JHU）、Tommaso Treu（UCLA）、Patrick Kelly（UC Berkeley）、Jennifer Lotz（STScI）、Marc Postman（STScI）、Zolt G. Levay（STScI）、FrontierSN 小组、GLASS 小组、HFF 小组（STScI）、CLASH 小组。

其中一个团队特别注重训练罗曼寻找引力透镜超新星，这种天体可以用于测量宇宙膨胀率的独特方法。他们说，罗曼对这些难以捉摸的透镜超新星的研究对宇宙学的未来有着巨大的潜力。

美国国家航空航天局（NASA）的南希-格蕾丝-罗曼太空望远镜是为了纪念 NASA 的第一位首席天文学家而命名的，它代表着我们在探索了解宇宙的道路上的一次飞跃。这个尖端天文台计划于 2027 年 5 月发射，旨在探索暗能量的奥秘、研究系外行星，并以前所未有的清晰度揭示宇宙的膨胀速度。罗曼太空望远镜利用先进的技术对宇宙进行大范围、细致的观测，将为我们提供对宇宙的重要见解，增强我们对宇宙组成、结构和演化的了解。资料来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心

天文学家正在研究宇宙中最紧迫的谜团之一--宇宙膨胀的速度--他们正准备利用美国国家航空航天局的南希-格蕾丝-罗曼太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope），以一种新的方式研究这个谜团。一旦罗曼望远镜于 2027 年 5 月发射升空，天文学家们将在罗曼望远镜的大范围图像中寻找引力透镜状超新星，这些超新星可以用来测量宇宙的膨胀速度。

天文学家有多种独立的方法来测量宇宙目前的膨胀率，即哈勃常数。不同的技术得出不同的值，称为哈勃张力。罗曼的大部分宇宙学研究都将针对难以捉摸的暗能量，因为暗能量会影响宇宙随时间的膨胀。

这些研究的一个主要工具是一种相当传统的方法，它将 Ia 型超新星等天体的固有亮度与其感知亮度进行比较，从而确定距离。另外，天文学家也可以使用罗曼法来研究重力透镜超新星。这种探索哈勃常数的方法与传统方法不同，因为它基于几何方法，而不是亮度。

这幅插图利用哈勃太空望远镜拍摄的雷夫斯达尔超新星图像，展示了大质量星系团MACS J1149.6+2223的引力是如何弯曲并聚焦来自其背后的超新星的光线，从而产生爆炸恒星的多幅图像的。这种现象被称为引力透镜。引力透镜超新星为天文学家提供了一种计算哈勃常数--宇宙加速的速率--的独特方法。一个研究小组正准备利用美国宇航局即将于 2027 年 5 月发射的南希-格蕾丝-罗曼太空望远镜，让天文学家发现并研究这些罕见的天体。

上图显示，当恒星爆炸时，它的光线穿过太空，遇到前景星系团。如果没有星系团，天文学家将只能探测到直射地球的超新星光线，并且只能看到超新星的单一图像。然而，在超新星多重成像的情况下，光路会被星系团的引力弯曲，并重新定向到新的光路上，其中有几条光路是指向地球的。因此，天文学家可以看到爆炸恒星的多幅图像，每幅图像都对应着其中一条改变的光路。每幅图像穿过星团的路线不同，到达地球的时间也不同，部分原因是光线到达地球的路径长度不同。精确测量多幅图像之间到达时间的差异，就可以得出一个距离组合，从而限制哈勃常数。

在下图中，重定向光线穿过星团中的一个巨大椭圆星系。这个星系又增加了一层透镜作用，再一次改变了原本会错过我们的几条光路的方向，并将它们聚焦，使它们能够到达地球。资料来源：NASA、ESA、Ann Feild（STSCI）、Joseph DePasquale（STSCI）、NASA、ESA、Steve A. Rodney（JHU）、Tommaso Treu（UCLA）、Patrick Kelly（UC Berkeley）、Jennifer Lotz（STSCI）、Marc Postman（STSCI）、Zolt G. Levay（STSCI）、FrontierSN 小组、GLASS 小组、HFF 小组（STSCI）、CLASH 小组。

引力透镜的前景

位于巴尔的摩的空间望远镜科学研究所（STScI）的卢·斯特罗格是准备对罗曼望远镜进行研究的团队的共同负责人，他说："罗曼是让引力透镜超新星研究起飞的理想工具。这些天体非常罕见，而且很难发现。我们不得不靠运气才能及早发现其中的几个。罗曼的大视野和高分辨率重复成像将有助于提高这些机会"。

天文学家利用各种天文台，如美国宇航局的哈勃太空望远镜和詹姆斯-韦伯太空望远镜，在宇宙中发现了八颗引力透镜状超新星。然而，由于超新星的类型及其延时成像的持续时间，这八个超新星中只有两个是测量哈勃常数的可行候选者。

当来自恒星爆炸等天体的光线在飞往地球的途中穿过星系或星系团，并被巨大的引力场偏转时，就会发生引力透镜现象。光线沿着不同的路径分裂，在天空中形成我们看到的超新星的多个图像。根据不同路径之间的差异，超新星图像会出现几小时到几个月，甚至几年的延迟。精确测量多幅图像之间到达时间的差异，就能得出距离组合，从而限制哈勃常数。罗曼望远镜的广泛勘测将能够以比哈勃更快的速度绘制宇宙地图，它在单幅图像中"看到"的面积是哈勃的 100 多倍。特别是，高纬度时域巡天将重复观测同一天空区域，这将使天文学家能够研究随时间变化的目标。这意味着将有大量的数据--每次超过 50 亿像素--需要进行筛选，以发现这些非常罕见的事件。

斯特罗格是该计划的共同负责人，他是 STScI 的贾斯汀-皮埃尔（Justin Pierel）。他解释说："这台新望远镜将使我们能够在一张快照中看到整个森林，而不是收集几张树木的照片。"

由斯特罗格和皮埃尔领导的 STScI 小组正在通过美国宇航局太空和地球科学研究机会（ROSES）南希-格蕾丝-罗曼太空望远镜研究和支持参与机会计划资助的一个项目，为在罗曼数据中发现引力透镜超新星奠定基础。

皮埃尔说："由于这些超新星非常罕见，要充分利用引力透镜超新星的潜力，就必须做好充分准备。我们希望提前准备好寻找这些超新星的所有工具，这样当数据到来时，我们就不用浪费任何时间来筛选数以兆字节计的数据了"。

该项目将由美国国家航空航天局（NASA）各中心和全国各大学的研究人员组成的团队实施。准备工作将分几个阶段进行。研究小组将创建数据还原管道，用于在罗曼成像中自动检测引力透镜超新星。为了训练这些管道，研究人员还将创建模拟成像：需要 50000 个模拟透镜，而目前已知的实际透镜只有 10000 个。

斯特罗格和皮埃尔团队创建的数据缩减管道将补充正在创建的管道，以便利用 Ia 型超新星研究暗能量。

"罗曼望远镜确实是创建黄金标准引力透镜超新星样本的第一次机会，"斯特罗格总结道。"我们现在的所有准备工作都将产生所需的所有成分，以确保我们能够有效地利用宇宙学的巨大潜力"。

编译来源：ScitechDaily