在哈勃空間望遠鏡的繼任者中，以被譽為?哈勃之母?的天文學家南希?羅曼命名的望遠鏡?羅曼望遠鏡?是最重要兩個之壹。它的主鏡面的直徑與哈勃相同，但它的視野是哈勃的第三代寬場照相機（WFC3）的紅外拍攝模式的視野的大約200倍，是哈勃的高級巡天照相機（ACS）視野的大約100倍，並且成像質量不遜色於哈勃，因此被稱為?100個哈勃?。它有什麽?黑科技?，又有什麽樣的科學目標？本文帶妳走進羅曼空間望遠鏡的前世今生，領略它的強大。
如果要評出當今世界上最著名、最有影響力的天文望遠鏡，那壹定是美國國家航空航天局（NASA）與歐洲航天局（ESA）擁有的哈勃空間望遠鏡（簡稱?哈勃?）。在過去30年的時間裏，哈勃獲得了海量的珍貴數據與美圖，重塑了過去30年人類對宇宙萬物與宇宙自身的認知。
但NASA並不滿足於哈勃獲得的成就。為了進壹步破解宇宙萬物的奧秘，NASA規劃了多個未來的空間望遠鏡，其中與哈勃同類的主要有詹姆斯?韋伯（James Webb）空間望遠鏡（簡稱?韋伯?）與南希?格蕾斯?羅曼（Nancy Grace Roman）空間望遠鏡（簡稱?羅曼?）。
在之前的文章（參見《哈勃望遠鏡之母：空間天文學領域的?滅絕師太?》）中，我們介紹了?哈勃之母?南希?格蕾斯?羅曼（Nancy Grace Roman，1925-2018）的生平與成就。在這篇文章中，我們將介紹以她來命名的空間望遠鏡的前世今生，它上面的儀器、它的科學目標與其他壹些重要信息。
羅曼的前世：鎖眼-11號衛星的黑科技
羅曼的故事要從鎖眼-11號（KH-11）衛星說起。
鎖眼系列衛星是美國偵察局（NRO）研制的偵查衛星，其功能就是拍攝地面上的軍事目標，因此它們本質上是空間望遠鏡，只是它們是在太空中對著地面拍照，而不是對著星空拍照。
鎖眼系列衛星的每壹代都有多個同款衛星。在這個系列中，1976年12月19日由大力神III-D（Titan III-D）火箭送上太空的第壹顆鎖眼-11號衛星具有重要的轉折意義：它是世界上最早采用電荷耦合器件（CCD）替代傳統底片並用無線電信號傳輸數據到地面的航天器。
鎖眼-11號結構的藝術想象圖，圖中分別標出了推進器（Thruster）、航天電子設備（Avionics）、高分辨率相機（High-Resolution Camera）、中繼天線（Relay Antenna）、燃料箱（Fuel Tank）、主鏡面（Primary Mirror）與副鏡（Secondary Mirror） | 來源：Trendsbuzz.com
這個模式直接影響了此後哈勃的設計：設計專家們壹度想讓哈勃帶壹個底片箱升空，用完底片後讓宇航員上去更換?如果是這樣，現在哈勃的海量精美照片是別指望了。鎖眼-11號改變了這壹切。鎖眼-11號衛星成功使用CCD拍照與無線電數據傳輸模式後，加州理工學院的科學家與工程師在設計?寬場與行星照相機（WFPC）?時也采用了CCD成像模式與無線傳輸模式。
1993年，由航天飛機送上太空的宇航員在太空中取出哈勃上面的WFPC | 來源：NASA
鎖眼-11號衛星的主鏡面的口徑是2.4米，與哈勃主鏡面的口徑壹樣。這絕不是巧合。
當年NASA設想的大型空間望遠鏡（即後來的哈勃）的口徑為3米，後來因為預算太高而被卡了。為降低預算，NASA經過評估，最後決定將望遠鏡的口徑減小到2.4米。
為什麽要降低到2.4米？因為鎖眼-11號的主鏡面口徑是2.4米，容納這個主鏡面的飛船系統是由洛克希德（Lockheed）公司根據這個尺寸定制。如果哈勃采用2.4米的主鏡面，洛克希德公司就可以直接制造容納這麽大的鏡面的飛船。如果用其他尺寸，洛克希德就要重新設計不同尺寸的飛船後再制造，而這將推高預算。這使得哈勃的主鏡面口徑最終被定為2.4米。
此前網上有人說哈勃的主鏡面是當年鎖眼-11號不用的主鏡面，這是錯誤的說法。哈勃的主鏡面是由柏爾金-埃爾默（Perkin-Elmer）公司磨制的，而鎖眼-11號的主鏡面由埃克斯利斯（Exelis）公司制造。此外，鎖眼衛星的鏡面磨得深，而哈勃的鏡面磨得淺得多。
盡管主鏡面來源不同，但哈勃太空船系統、CCD拍照、無線電數據傳輸模式（包括數據中繼衛星的使用）甚至總重量都與鎖眼-11號高度相似。
2009年，維修之後被重新放回太空的哈勃 | 來源：NASA
隨著技術的發展，NRO發展出更強更大的主鏡面，有兩個2.4米的主鏡面還沒被使用就被判定為?落伍?，然後就被擱在無塵室內，每個月消耗10萬美元的保管費。作為對比，當年哈勃放在無塵室時每月消耗600萬美元的保管費。
羅曼的今生：從1.3米到2.4米的躍變
兩塊?落伍?的鏡面靜靜躺在無塵室時，壹個會在將來與它們中的壹塊發生密切關聯的空間望遠鏡項目啟動了?聯合暗能量任務（Joint Dark Energy Mission），縮寫為JDEM。
這個項目由NASA與美國能源部（DOE）聯合出資開發，用以探測神秘的?暗能量1998年，兩個互相競爭的小組發現宇宙在幾十億年前開始加速膨脹，後來科學家將推動宇宙加速膨脹的神秘力量稱為暗能量。
根據規劃，用以研究暗能量的JDEM的主鏡面的口徑是1.3米，裏面只有壹個儀器，由成像器與光譜儀構成。2010年，美國研究委員會10年巡天委員會將這個項目定為未來10年天文學的最高優先級項目。
2012年，NRO的工作人員突然打電話給NASA的壹個負責人，說要贈送2塊2.4米的主鏡給NASA。前提是只能用於空間項目之上。NRO如此慷慨的原因似乎是不想繼續為這兩塊鏡面付保管費，但實際上如果將這兩塊鏡面拿去賣，不僅照樣不用支付保管費，還可以賣個相當好的價錢。所以NRO送鏡面給NASA，頗有?寶劍贈英雄?的意味。
對於這個送上門的兩塊鏡面，NASA自然異常驚喜。經過研究討論，NASA決定將其中壹塊鏡面安裝到JDEM 之上，替代原來計劃安裝的1.3米口徑的主鏡面。這個變更，使JDEM的采光能力變為此前預期的3.4倍，而且其成像品質可以與哈勃持平。
差不多同時期，JDEM項目的名稱被改為?寬場紅外巡天望遠鏡-天體物理導向望遠鏡資產?，英文縮寫為WFIRST-AFTA。2016年，WFIRST-AFTA被NASA正式立項。同年，項目名稱中的AFTA被省略，簡稱為WFIRST。
這壹時期，WFIRST的項目負責人是著名的高能天體物理學家尼爾?格勒斯（Neil Gehrels，1952-2017），他曾經主持NASA的多個非常重要的空間望遠鏡項目?康普頓伽瑪射線天文臺（CGRO）、雨燕（Swift）衛星等，具有非常豐富的空間望遠鏡項目管理的經驗。2017年，格勒斯因胰腺癌病逝，傑弗雷?克魯克（Jeffrey Kruk）成為WFIRST項目負責人。
2020年5月20日，NASA宣布將WFIRST改名為?羅曼空間望遠鏡?（?羅曼?）。
羅曼的主鏡面是當年為鎖眼-11號衛星定制的。它本來被預期用於觀測地面目標，因此焦距比哈勃主鏡的焦距短得多。因此，它也比哈勃的主鏡面磨得深得多。我們可以這麽直觀理解：羅曼的主鏡面磨得像碗那麽深，而哈勃的主鏡面磨得比碟子還要淺。與之相應的，羅曼的視野比哈勃的視野大得多：哈勃上的相機要拍攝壹兩百次才可以拍完的天區，羅曼上的相機壹次就可以拍完。
因為焦距短，裝載羅曼的飛船也比裝載哈勃的飛船短得多，因此羅曼被人們戲稱為?矮壯版哈勃?。在橫截面幾乎壹樣時，飛船短得多也就意味著輕得多：羅曼在升空時的質量是4.166噸，而哈勃升空時的質量是11.11噸，接近羅曼望遠鏡質量的3倍。羅曼的飛船由哈裏斯（Harris）公司制造，這個公司在2015年與制造出羅曼主鏡面的埃克斯利斯公司合並。
羅曼的兩大設備：寬場設備與星冕儀
望遠鏡的主鏡面只負責采集光線，要進行科學研究，還需要使用各種儀器來接收主鏡面搜集到的光，比如各種濾光片與光譜儀。與羅曼望遠鏡的主鏡面配合的儀器有兩個。第壹個儀器是寬場設備，第二個儀器是星冕儀。
羅曼的結構圖，其中右側淡黃色箭頭所指為寬場設備的結構圖，左側白色箭頭所指為星冕儀 | 來源：Neil Gehrels, Kevin Grady
寬場設備是羅曼上面用來進行大範圍（?寬場?）觀測的設備。它由兩套部件構成。其中，第壹套部件是壹個照相機與配套的7個濾光片。其中，照相機由18個CCD探測器拼接而成，總像素達到2.88億。7種濾光片的觀測波長的範圍從480納米到2000納米，可以觀測綠、黃、紅光與紅外線。
寬場設備的第二套部件是兩個光譜儀，用來觀測天體的光譜。光譜儀將天體發出的光分解為多種顏色，仿佛彩虹?這就是光譜，用來分解光、得到光譜的儀器就是光譜儀。這兩個光譜儀分別是棱鏡光譜儀與棱柵光譜儀。棱鏡光譜儀的分光工具是壹個棱鏡，棱柵光譜儀的分光部件是壹個棱柵?將棱鏡的壹側刻出大量條紋、使其成為?光柵?，即為棱柵。羅曼上面的棱鏡光譜儀觀測的波長範圍從600到1800納米，對應紅色到近紅外線範圍；棱柵光譜儀觀測的波長範圍從1000到1930納米，在近紅外線範圍。
羅曼上面的寬場設備的結構圖，其長、寬、高分別是2.75米、1.85米與1.29米 | 來源：Neil Gehrels, Kevin Grady
寬場設備的照相機單次觀測範圍是0.281平方度，相當於滿月在天空中占據的大小，是哈勃的第三代寬場照相機（WFC3）的紅外通道單次觀測範圍的約200倍，是哈勃的高級巡天照相機（ACS）單次觀測範圍的約100倍。
羅曼的視場與哈勃以及韋伯上面的相機的視場的對比。圖中***有18個白色邊框區域，對應羅曼的18個CCD探測器的視場，圖下方從左到右分別是哈勃的ACS、哈勃的WFC3與韋伯的NIRCAM的視場大小。 | 來源：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，羅曼非常適合用來對宇宙進行掃描式觀測。根據設計，它每5天就可以重新掃描到天空中幾十平方度內的任意目標。幾十平方度是滿月區域的上百倍，是哈勃單次拍攝區域的上萬倍。