准备来自南希格雷斯罗马太空望远镜的数据

作为为南希·格雷斯·罗马太空望远镜(目前计划于2027年5月发射)收集的数据数量和范围做好准备的计划的一部分，NASA已向五个项目基础设施团队(PIT)提供资金，这些团队将编写软件、运行模拟并规划出望远镜数据流的最佳使用方式。

其中三个PIT总部位于帕萨迪纳，隶属于加州理工学院的教职员工，每个机构都获得了为期五年、数百万美元的资助。MansiKasliwal(MS'07，Ph.D.'11)，加州理工学院天文学教授，领导RAPID(来自图像差异的罗马警报)团队;王云，加州理工学院IPAC高级科学家，负责星系红移调查的基础设施;加州理工学院为NASA管理的喷气推进实验室首席科学家奥利维尔·多雷(OlivierDoré)与副首席研究员迪达·马尔科维奇(DidaMarkovic)领导弱透镜团队，迪达·马尔科维奇也在喷气推进实验室工作。

罗马太空望远镜项目于2010年开始，名为宽视场红外太空望远镜(WFIRST)，承诺提供与哈勃太空望远镜相同的图像精度，但视野至少大100倍，从而使观测天空的速度要快得多。该任务对星系和超新星的观测将告诉我们很多关于宇宙的历史和扩张的信息。借助船上的另一台技术演示仪器日冕仪，可以对其他恒星系统中的系外行星进行成像。WFIRST在2010年天文学和天体物理学十年调查中被评为天体物理学的首要任务，该调查是美国国家科学院国家研究委员会自20世纪60年代以来每十年进行一次的研究目标清单。

2020年，WFIRST更名为南希·格蕾丝·罗曼(NancyGraceRoman)，她于1961年至1979年间担任NASA天文学和太阳物理主管，并为建造哈勃太空望远镜进行了不懈的游说。卡斯利瓦尔解释说：“罗马的任务是很久以前就构思出来的，但从那时起发生了很大的变化。”“我们现在实际上已经看到了与引力波相关的强大宇宙事件产生的光或电磁辐射。”

这些新发现为卡斯利瓦尔、王和多雷等致力于充分利用罗曼的红外观测运行的人们开辟了道路。“罗马硬件已经建成并正在测试，”王说，“但观测计划和软件仍在开发中，所以我们可以帮助优化它。”

Kasliwal的PIT团队负责创建警报系统RAPID，该系统告诉天文学家在哪里可能会发现有趣的新现象来观察。RAPID通过称为图像差分的过程实现其目标。“我们一次又一次地拍摄同一片天空的图像。然后我们比较这些图像，看看发生了什么变化，”卡斯利瓦尔说。“我们正在寻找烟花、宇宙烟花……任何爆炸的东西，任何在我们眼前发生变化的东西。这就是所谓的时域天文学。时域天文学正在经历一场革命，因为我们现在有这么多非常灵敏的望远镜能够理解动态的宇宙。”

卡斯利瓦尔与兹威基瞬变设施和加州理工学院帕洛玛天文台的帕洛玛加蒂尼红外望远镜、光学和近红外望远镜合作，对整个夜空进行观测，为卡斯利瓦尔提供了为罗马望远镜设计RAPID系统所需的经验。“当罗马数据到达时，我们将不断进行图像差异。当我们看到某些内容发生变化时，我们会发出警报，”卡斯利瓦尔解释道。“我们在帕洛玛进行了很多这方面的实践。我们拍摄一张图像，将其与之前的图像进行比较，然后在七分钟后发出警报，以便世界各地的天文学家准确地知道天空中的哪些地方正在发生有趣的事情”。

卡斯利瓦尔表示，为了在罗马望远镜发射之前加快RAPID的步伐，她正在扩大由科学家和软件专业人员组成的团队，以“提供可靠且强大的数据管道，为社区提供服务”。目前，RAPID拥有一个由六名科学家组成的核心团队，位于IPAC和加州理工学院校园的卡希尔天文学和天体物理学中心。每个成员都拥有自己在机器学习、警报管道、超新星、恒星、小行星等方面的专业知识。“现在，我们正在进行模拟，”卡斯利瓦尔说。“我们在这些模拟中注入场景，例如潮汐瓦解耀斑的出现——即一颗恒星真正接近大质量黑洞并被撕裂的时候——以了解罗曼的数据流可能是什么样子。”

罗马望远镜还将能够与NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜分担任务，这是另一个自2021年12月以来一直绕太阳运行的红外天文台。“罗马将成为发现引擎，”卡斯利瓦尔说，“然后是詹姆斯·韦伯太空望远镜可以进行光谱跟踪和详细表征。例如，这将使我们能够了解特定中子星合并是由哪些元素组成的。”

罗马任务准备回答的一个主要问题是宇宙膨胀的加速速度有多快。

为了更好地理解诞生我们宇宙的大爆炸，想象一场烟花表演，天空中充满了巨大的爆炸，这种爆炸被称为椰子壳。它开始于从一个精确的中心爆发出戏剧性的火花。这些火花从中心向各个方向迅速而均匀地爆发出来，然后逐渐减慢并熄灭。这不是我们宇宙中正在发生的事情。它的扩张速度非但没有放缓，反而越来越快。

“这与我们的预期相反，”王说，“因为如果物质是宇宙中的全部，那么今天宇宙的膨胀应该正在减速。它的加速需要物质以外的东西的存在：也许是一种能量形式.我们称之为暗能量，因为它对我们来说是不可见的。我们不知道这是否真的是能量的未知组成部分，或者我们是否需要修改我们的引力理论(即阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论)来解释这是一个巨大的谜团，也是当今宇宙学和物理学中最令人兴奋和最具挑战性的问题之一。”

测量宇宙膨胀加速度的方法有3种，罗马望远镜将全部利用。第一个是观察Ia型超新星，就像之前所做的那样。由于这些超新星的光度大致相同，因此它们被称为“宇宙标准蜡烛”。当它们离我们更近时，它们会发出更明亮的光芒。当距离更远时(这也是时间上的倒退，因为我们看到的是从数十亿年前传播到我们的光)，它们显得更暗。

第二种方式是通过一种称为弱引力透镜的现象，即由于我们和星系之间的物质的引力而使来自星系的光线发生轻微弯曲。对由此产生的星系形状的微妙变化的测量可以探测宇宙物质的分布以及暗能量的活动。Doré的团队将专注于这项工作。

“引力透镜使我们能够对物质进行一次完整的普查。有了罗马望远镜，我们将在宇宙的一大片区域进行这样的普查，这将让我们更多地了解宇宙，”多雷说。“通过创建这些团队，美国宇航局认识到，需要一个非常广泛的科学界的丰富性和多样性来充分利用这个前所未有的天文台。”

王的团队将为测量膨胀宇宙加速度的第三种方法——星系红移调查——建立基础设施。这项巡天使天文学家能够可视化宇宙中星系的三维分布，探究对暗能量敏感的宇宙膨胀历史以及宇宙大尺度结构的生长历史。(红移一词指的是星系的距离;星系越远，由于宇宙的膨胀，它就越会将光转移或拉伸到更红的波长。)罗马星系红移调查PIT由11个参与机构组成由加州理工学院。该团队包括所有当前和计划中的地面设施星系红移调查以及欧洲航天局欧几里得任务的领导者。

“罗马望远镜将观测非常遥远的星系，”王解释道。“这些是宇宙大尺度结构的理想示踪剂。罗马望远镜在非常宽的红移范围内使用这些星系示踪剂——也就是说，更近和更远——这意味着宇宙历史上非常广泛的范围。有了这些信息，我们几乎可以读出距我们不同距离的宇宙膨胀率。但是通过使用Ia型超新星和弱引力透镜的额外数据集，我们可以交叉检查我们的结果。这就是为什么我我们相信，在十年之内，我们应该能够找到一些关于宇宙加速膨胀的原因的真正答案。”

王说她被天文学的刺激和浪漫所吸引，并继续为之感到高兴。“我生来就是一个浪漫的人，”王说。“小时候，爸爸会背诵中国古诗词来让我平静下来。后来我长大了，我就一边看着夜空，一边自言自语。我在农村长大，那里很黑。”，所以天空很壮观。后来，我在清华大学的时候，去参加一个宇宙学研讨会，我很惊讶，心想：“哇，你的意思是你真的可以用科学来研究整个宇宙?”从那以后，我就痴迷于成为一名宇宙学家。”

卡斯利瓦尔在康奈尔大学工程物理专业读本科时就了解了红外天文学。“我一直对天文学感兴趣，但我不知道成为一名天文学家意味着什么，”卡斯利瓦尔说。“当时这听起来就像是一个疯狂的梦想。但后来我在JimHouck的实验室找到了一份工作，他在Spitzer太空望远镜上建造了红外光谱仪，这是NASA的红外太空望远镜，已经运行了15年多。我“我很高兴看到Houck的团队收集数据，每天都能学到有关宇宙的新知识，这让我非常兴奋。这真正激发了我对天文学的兴趣。宇宙让你保持警惕。永远不会有沉闷的时刻。”

与此同时，王说她“不害怕大胆思考”。她补充道，“我只是思考什么是重要的，什么是重要的，什么是应该提出的关键问题。奖励有望是发现。无论怎样，都会有发现!”