美国国家航空航天局的罗马望远镜将如何扫描引人注目的爆炸

当密度最大、质量最大的恒星——也是超小型恒星——碰撞时会发生什么？它们发出被称为千新星的明亮爆炸。把这些事件想象成宇宙的天然烟火。理论家们怀疑它们周期性地发生在整个宇宙中——无论是近还是远。科学家们很快将有一个额外的天文台来帮助跟进甚至侦察这些引人注目的事件：美国国家航空航天局的Nancy Grace Roman太空望远镜，该望远镜将于2027年5月发射。

千新星的关键参与者是中子星，中子星是在超新星爆炸过程中在重力作用下坍塌的恒星的中心核心。它们的质量与太阳相似，但直径只有约6英里（10公里）。当它们碰撞时，会发出接近光速的碎片。这些爆炸也被认为是锻造重元素，如金、铂和锶（这使真正的烟花呈现出令人惊叹的红色）。Kilonovae将这些元素发射到太空中，有可能使它们最终进入形成地球等类地行星地壳的岩石中。

美国国家航空航天局的罗马太空望远镜将在2027年5月发射后每隔几天对同样的天空区域进行一次调查。研究人员将挖掘这些数据来识别千新星——当两颗中子星或一颗中子星与黑洞碰撞合并时发生的爆炸。当这些碰撞发生时，产生的碎片中有一小部分以接近光速的喷流形式喷出。剩下的碎片会产生炽热、发光、富含中子的云，这些云会锻造金和铂等重元素。Roman的大量数据将帮助天文学家更好地确定这些事件发生的频率、释放的能量以及它们的远近。

天文界在2017年捕捉到了其中一个引人注目的千新星事件。美国国家科学基金会激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的科学家们首先探测到两颗中子星与引力波的碰撞，引力波是时空中的波纹。几乎同时，美国国家航空航天局的费米伽马射线太空望远镜探测到了高能光。美国国家航空航天局迅速转向用更广泛的望远镜观测这一事件，并在一系列图像中捕捉到了爆炸膨胀碎片的微弱光芒。

但这个例子中的玩家实际上在我们的“后院”发生了碰撞，至少在天文数字上是这样。它们距离地球只有1.3亿光年。一定有更多的千新星——还有许多更远的新星——点缀着我们一直活跃的宇宙。

“我们还不知道这些事件的发生率，”北卡罗来纳州达勒姆杜克大学物理学助理教授Daniel M.Scolnic说。Scolnic领导了一项研究，估计了包括Roman在内的过去、现在和未来天文台可能发现的千新星的数量。“我们发现的单个千新星是典型的吗？这些爆炸有多亮？它们发生在什么类型的星系中？”现有的望远镜无法覆盖足够宽的区域，也无法深入观察，以找到更遥远的例子，但随着罗曼的出现，这种情况会改变。

发现更远更远的千新星在现阶段，LIGO在识别中子星合并方面处于领先地位。它可以探测到天空中所有区域的引力波，但一些最遥远的碰撞可能太弱，无法识别。Roman将加入LIGO的搜索，提供有助于“充实”团队的互补品质。罗曼是一台测量望远镜，它将重复扫描天空的相同区域。此外，罗曼的视野是哈勃太空望远镜红外视野的200倍——没有LIGO的视野那么大，但对于拍摄图像的望远镜来说是巨大的。它的节奏将使研究人员能够发现天空中的物体何时变亮或变暗，无论是附近还是很远。

美国国家航空航天局的罗马太空望远镜将如何探测千新星——由两颗中子星或一颗中子星和一个黑洞合并发出的短暂闪光？部分原因是望远镜的视野很宽。罗曼的视野比哈勃太空望远镜的红外视野大200倍。一旦Roman计划在2027年发射后开始以规律的节奏观察天空，研究人员预计能够识别出更多这些壮观的事件，无论是在附近还是在很远的地方。尽管我们还不知道这些事件的发生率，但当Roman的数据大量涌入时，我们将开始了解这些合并的频率以及结果。

Roman将为研究人员提供一个强大的工具来观测极其遥远的千新星。这是由于空间的扩大。数十亿年前离开恒星的光，随着时间的推移，会被拉伸成更长、更红的波长，即红外光。由于Roman专门捕捉近红外光，它将检测来自非常遥远物体的光。有多远？新墨西哥州洛斯阿拉莫斯洛斯阿拉莫斯国家实验室的博士后研究员Eve Chase解释道：“Roman将能够看到一些千新星，它们的光已经传播了大约70亿年才到达地球。”Chase领导了一项最近的研究，模拟了千新星喷出物的差异如何改变我们在包括Roman在内的天文台观察到的结果。

近红外光还有第二个好处：它提供了更多的时间来观察这些短暂的爆发。较短波长的光，如紫外线和可见光，会在一两天内从视野中消失。近红外光可以收集一周或更长时间。研究人员一直在模拟这些数据，看看这将如何发挥作用。Chase补充道：“对于模拟千新星的一个子集，Roman将能够在中子星合并发生两周多后进行观测。”“这将是观察遥远千新星的绝佳工具。”

很快，研究人员将更多地了解千新星发生在哪里，以及这些爆炸在宇宙历史上发生的频率。早些时候发生的事情在某种程度上有所不同吗？Scolnic说：“Roman将允许天文学界开始进行人口研究，同时对这些爆炸的物理性质进行一系列新的分析。”

勘测望远镜提供了巨大的可能性，也提供了大量需要精确机器学习的数据。天文学家正在通过编写代码来实现这些搜索的自动化来应对这一挑战。最终，Roman的大量数据集将帮助研究人员解开迄今为止关于千新星的最大谜团：两颗中子星碰撞后会发生什么？它是产生一颗中子星，一个黑洞，还是完全产生其他东西？与罗曼，我们将收集统计研究人员需要取得实质性突破。

Nancy Grace Roman太空望远镜由美国国家航空航天局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理，南加州的美国航空航天局喷气推进实验室和加州理工学院/IPAC、巴尔的摩的太空望远镜科学研究所以及一个由多个研究机构科学家组成的科学团队都参与了管理。主要的工业合作伙伴是位于科罗拉多州博尔德市的鲍尔航空航天技术公司；佛罗里达州墨尔本的L3Harris Technologies；以及加利福尼亚州千橡园的Teledyne Scientific&Imaging。