羅曼太空望遠鏡週六升空，掃描十億星系破解暗能量之謎

羅曼太空望遠鏡將於週六升空，直指宇宙學目前最大的開放測量問題：兩種獨立測量宇宙膨脹速率的方法，結果相差8%。測量宇宙微波背景——大爆炸後38萬年的光——膨脹速率約為每百萬秒差距每秒67公里。測量鄰近的造父變星和Ia型超新星，則得到約73。兩者之間的差距達到4至6個標準差。在物理學中，這不是四捨五入的誤差，而是標準模型出了問題的信號。

南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope）將於美國東部時間上午7點26分，在甘迺迪太空中心由SpaceX獵鷹重型火箭發射升空，是迄今為止設計用來找出答案的最強大儀器。它配備2.4公尺鏡面——與哈伯望遠鏡相同直徑——以及一台3億像素近紅外相機，視野比哈伯望遠鏡寬200倍，因此羅曼能夠繪製當前張力所需的大尺度星系分布圖。

打破標準模型的證據

暗能量於1998年被確認，當時兩個獨立團隊測量Ia型超新星的距離與退行速度，發現遙遠星系的移動速度比重力減速下的膨脹應有的速度更快。這項觀測獲得2011年諾貝爾獎，並將一個項——宇宙學常數Λ——納入宇宙學標準模型。Λ認為暗能量在密度和性質上均為常數，是空間本身的一種固定屬性。

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兩項近期發現使這幅圖像變得複雜。暗能量光譜儀器（DESI）發布的結果顯示，如果暗能量的強度隨時間改變，重子聲學振盪——自大爆炸後38萬年以來凍結在宇宙網中的週期性密度模式——能更好地擬合數據。這項發現並未證明變化，只是一個線索，統計證據尚未確定。但它是自諾貝爾獎以來對Λ最具實證意義的挑戰。

哈伯張力增加了第二個壓力點。如果標準模型正確，早期宇宙和局部的測量應該收斂到相同的膨脹速率。但事實上並沒有。最新的分析使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）校準的造父變星，確認了局部值約為73 km/s/Mpc。宇宙微波背景導出的值仍維持在67附近。這個差異並未隨著更多數據而縮小——反而擴大了。

羅曼將測量什麼，以及如何測量

羅曼將透過三個獨立管道來攻克暗能量問題。

第一個是Ia型超新星，它們可作為標準化距離標記：每顆超新星達到可預測的峰值亮度，揭示其距離。將距離與紅移——星系的光因宇宙膨脹而被拉伸的程度——進行比較，即可得出該宇宙時代的膨脹速率。羅曼預計每年將發現數千顆超新星，紅移範圍遠大於地面巡天，以當前儀器無法達到的精度繪製宇宙加速史。

第二個管道是重子聲學振盪。這些早期宇宙的聲波在星系聚集方式中留下了一個特徵尺度——星系對之間約4.9億光年的統計偏好。這個尺度就像一把「標準尺」：測量它在不同紅移下看起來有多大，就能重建每個宇宙時代的膨脹歷史。羅曼的廣域成像將繪製數百萬個星系，提供當前巡天無法比擬的統計能力。

第三個是弱重力透鏡效應：前景結構的質量對背景星系形狀造成的輕微扭曲。透鏡效應追蹤物質隨時間的聚集方式，對暗物質密度和暗能量行為均敏感。結合超新星和重子聲學振盪數據，弱重力透鏡提供了一種交叉驗證，可以判斷膨脹歷史中的任何差異是真實的還是儀器造成的。

與先前的儀器相比

哈伯的紅外相機每次曝光覆蓋約10平方角分。羅曼覆蓋約0.28平方度——在相近解析度和深度下，面積大約是哈伯的100倍。其廣域儀器能在數週內看到哈伯需要數年才能巡視的天空區域。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡提供非凡的深度，但視野與哈伯相似；韋伯是顯微鏡，羅曼是廣角鏡。歐洲太空總署的歐幾里得（Euclid）於2023年發射，已回傳數據，視野比羅曼更廣，但空間解析度和深度較低；兩項任務預計將相互補充。

尺度差異是這項任務的核心論點。要測量暗能量的性質，達到足以區分真正的宇宙學常數與演化中的常數所需的精度，需要數百萬個天體的統計樣本。哈伯張力無法透過小規模巡天解決——它需要一次普查。

羅曼無法解決的問題

羅曼的測量將大幅提升對暗能量的約束，但不會解決目前與之相關的所有問題。該儀器無法直接探測暗能量——它測量的是暗能量對可觀測量的影響，而這些測量本身帶有自身的系統不確定性。例如，Ia型超新星的校準依賴於造父變星的距離測量，而後者又取決於這些恆星脈動性質如何受其化學環境影響。那條校準鏈正是目前哈伯張力所在之處。

如果羅曼的數據縮小了H0差距——使局部和早期宇宙的測量更趨一致——這將表明張力源於早期測量中未考慮的系統誤差。如果差距在羅曼改進的校準後仍然存在或擴大，這將是標準模型確實不完整的強烈證據。後者將是更具影響力的結果，但本身並不會指出問題所在——只會確認有些事情不對勁。

參與該任務的美國航太總署（NASA）噴射推進實驗室宇宙學家傑森·羅德斯（Jason Rhodes）直言不諱地描述了當前局面：「我們開始看到早期宇宙測量與晚期宇宙測量之間的張力。」羅曼正是為了讓這些張力消失或固化為確認的異常而設計的。

發射後約需90至100天進行調試；科學觀測預計於2027年初開始。望遠鏡將在距離地球約150萬公里的拉格朗日L2點運行，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡已在此軌道。主要任務為期五年。

關於羅曼望遠鏡與暗能量的常見問題

暗能量到底是什麼？

暗能量是宇宙加速膨脹的未知原因的名稱。根據目前估計，它約佔宇宙總能量含量的68%，但其物理性質仍然未知。最簡單的模型將其視為空空間固有的恆定能量密度。更複雜的模型允許它隨時間變化，或在性質上不同於宇宙學常數。羅曼的設計正是為了區分這些可能性。

什麼是哈伯張力？

哈伯常數（H0）衡量宇宙目前膨脹的速度。兩大類測量——一種以宇宙微波背景為起點，另一種使用鄰近的標準燭光如造父變星和超新星——始終給出不同的數值，分別約為67和73 km/s/Mpc。這一差異在統計上顯著到無法用巧合合理解釋，但其原因尚未解決。

羅曼與詹姆斯·韋伯太空望遠鏡有何不同？

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡專為對單一天體進行深度、窄視場觀測而優化，具有非凡的靈敏度。羅曼的鏡面尺寸與哈伯相同，但視野大100至200倍；它用深度換取廣度。這兩架望遠鏡設計為協同工作：羅曼大規模發現和巡天，韋伯則詳細跟進特定目標。

暗能量為何對宇宙學以外的領域很重要？

暗能量決定了宇宙的長期命運。如果它確實是常數，宇宙將無限期地持續加速，最終使星系之間的光再也無法抵達彼此。如果暗能量隨時間變化——或反轉——則軌跡會改變。羅曼的測量將約束這些情境中哪些在物理上可行。

如果哈伯張力在羅曼的檢驗下仍然存在，宇宙學將需要一個新模型——一個能夠解釋為什麼宇宙最早與最近的膨脹特徵不再一致的模型。

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

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