罗曼望远镜周六升空，将探测10亿个星系破解暗能量之谜

罗马太空望远镜将于周六发射，它将直面宇宙学中最大的开放式测量难题：两种独立测量宇宙膨胀速度的方法存在8%的差异。测量宇宙微波背景辐射——大爆炸后38万年的光——得出的膨胀率约为每百万秒差距每秒67公里。测量附近的造父变星和Ia型超新星，则得到约73。两者之间的差距宽度为4到6个标准差。在物理学中，这可不是四舍五入的误差。这是一个信号，表明标准模型出了问题。

南希·格雷斯·罗马太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）将于美国东部时间上午7点26分从肯尼迪航天中心搭乘SpaceX猎鹰重型火箭升空，它是迄今为止为找出问题所在而设计的最强大的仪器。它拥有2.4米镜面（与哈勃望远镜相同直径）和一台3亿像素的近红外相机，能观测到的天区是哈勃望远镜视野的200倍，从而能够绘制当前张力所要求的大尺度星系分布图。

证据：打破标准模型

暗能量于1998年被确认，当时两个独立团队通过测量Ia型超新星的距离和退行速度发现，遥远星系的移动速度比引力减速下的膨胀所允许的更快。这一发现获得了2011年诺贝尔奖，并在宇宙学标准模型中引入了一个术语——宇宙学常数Λ。Λ认为暗能量在密度和性质上都是恒定的，是空间本身的固定属性。

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最近的两项发现使这一图景变得复杂。暗能量光谱仪器（DESI）发布的结果显示，如果暗能量的强度随时间变化，重子声学振荡（大爆炸后38万年冻结在宇宙网中的周期性密度模式）能更好地拟合数据。这一发现并不能证明暗能量确实在变化，只是一个暗示，统计证据尚不确凿。但这是自诺贝尔奖以来对Λ最重大的实证挑战。

哈勃张力则增加了第二个压力点。如果标准模型正确，那么早期宇宙和局部的测量结果应该收敛到相同的膨胀率。但它们没有。最近利用詹姆斯·韦伯太空望远镜校准的造父变星进行的分析证实，局部值接近73 km/s/Mpc。而宇宙微波背景辐射得出的值仍接近67。这一差异并没有随着更多数据而缩小——反而扩大了。

罗马望远镜将测量什么，以及如何测量

罗马望远镜将通过三个独立渠道攻克暗能量问题。

第一个是Ia型超新星，它们可作为可标准化的距离标记：每颗超新星都会达到一个可预测的峰值亮度，从而揭示其距离。将距离与红移（星系光因宇宙膨胀而被拉伸的程度）进行比较，即可得出该宇宙时期的膨胀率。罗马望远镜预计每年可发现数千颗超新星，覆盖的红移范围远大于地面巡天，能以当前仪器无法企及的精度绘制宇宙加速历史。

第二个渠道是重子声学振荡。那些早期宇宙的声波在星系聚集方式中留下了一个特征尺度——星系对之间相隔约4.9亿光年的统计偏好。这个尺度相当于一把“标准尺”：测量它在不同红移下看起来有多大，就能重建每个宇宙时期的膨胀历史。罗马望远镜的宽视场成像将绘制数百万个星系，提供当前巡天无法匹敌的统计能力。

第三个是弱引力透镜：前景结构质量对背景星系形状的轻微扭曲。透镜效应追踪了物质随时间的聚集方式，这既对暗物质密度敏感，也对暗能量的行为敏感。结合超新星和重子声学振荡数据，透镜效应提供了一种交叉检验，可以隔离膨胀历史中的任何差异究竟是真实存在的还是仪器误差造成的。

与之前的仪器相比

哈勃望远镜的红外相机每次曝光覆盖约10平方角秒。罗马望远镜覆盖约0.28平方度——在可比分辨率和深度下，面积大约是哈勃的100倍。它的宽视场仪器能在几周内看到哈勃需要数年才能巡天的大片天区。詹姆斯·韦伯太空望远镜提供了非凡的深度，但视场与哈勃相似；韦伯是显微镜，罗马是广角镜。欧洲空间局的欧几里得望远镜于2023年发射，已返回数据，它覆盖的视场比罗马更宽，但空间分辨率和深度较低；两项任务预计将相互补充。

尺度差异是该任务的核心论据。要测量暗能量的性质达到区分真正宇宙学常数与演化暗能量所需的精度，需要数百万个天体的统计样本。哈勃张力无法通过小规模巡天解决——它需要一次普查。

罗马望远镜不会解决什么

罗马望远镜的测量将显著收紧对暗能量的约束，但不会解决与之相关的所有问题。该仪器无法直接探测暗能量——它测量的是暗能量对可观测量的影响，而这些测量本身带有自己的系统误差。例如，Ia型超新星的校准依赖于造父变星的距离测量，而后者又取决于这些恒星脉动性质受其化学环境影响的方式。这条校准链正是哈勃张力目前所在之处。

如果罗马望远镜的数据缩小了H0差距——使局部和早期宇宙的测量结果更接近一致——那么将表明张力源于早期测量中未考虑的系统误差。如果差距在罗马望远镜改进校准后仍然存在甚至扩大，那将是标准模型确实不完整的强有力证据。这一结果将更具影响力，但它本身不会指出哪里出了问题——只会确认确实有问题存在。

参与该任务的美国宇航局喷气推进实验室宇宙学家杰森·罗兹（Jason Rhodes）直言不讳地描述了当前状况：“我们开始看到早期宇宙测量与晚期宇宙测量之间的张力。”罗马望远镜正是为了要么让这些张力消失，要么让它们固化成一个确凿的异常而设计的。

调试阶段大约需要发射后90到100天；科学观测预计于2027年初开始。该望远镜将在距离地球约150万公里的L2拉格朗日点运行，詹姆斯·韦伯太空望远镜已经在那里运行。主要任务为期五年。

关于罗马望远镜和暗能量的常见问题

暗能量到底是什么？

暗能量是宇宙加速膨胀的未知原因的名称。根据当前估计，它约占宇宙总能量含量的68%，但其物理本质仍然未知。最简单的模型将其视为空空间固有的恒定能量密度。更复杂的模型允许它随时间变化，或在性质上与宇宙学常数不同。罗马望远镜的设计目的是区分这些可能性。

什么是哈勃张力？

哈勃常数（H0）衡量宇宙当前膨胀的速度。两大测量类别——一种以宇宙微波背景辐射为起点，另一种使用附近的造父变星和超新星等标准烛光——始终给出不同的值，分别约为67和73 km/s/Mpc。这一差异在统计上足够显著，无法用巧合解释，但其原因仍未解决。

罗马望远镜与詹姆斯·韦伯太空望远镜有何不同？

詹姆斯·韦伯太空望远镜针对深度、窄视场的单个天体观测进行了优化，具有非凡的灵敏度。罗马望远镜的镜面大小与哈勃相同，但视场却是哈勃的100到200倍；它以深度换取广度。这两台望远镜旨在协同工作：罗马望远镜进行大规模发现和巡天，詹姆斯·韦伯太空望远镜则对特定目标进行详细跟进。

为什么暗能量在宇宙学之外也重要？

暗能量决定了宇宙的长期命运。如果它确实是恒定的，宇宙将无限期地加速膨胀，最终使星系之间的距离扩大到彼此的光线无法触及。如果暗能量随时间变化——或者逆转——那么演化轨迹也会改变。罗马望远镜的测量将约束这些情景中哪些是物理上可行的。

如果哈勃张力经得起罗马望远镜的检验，宇宙学将需要一个新的模型——一个能够解释为什么宇宙最早和最晚的膨胀迹象不再一致的模型。

标签: nasa, cosmology, dark energy, dark matter, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

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