美国东部时间2026年8月30日清晨7时26分，佛罗里达州肯尼迪航天中心的39A发射台上，重型猎鹰火箭腾空而起，搭载南希·格雷斯·罗曼空间望远镜，踏上前往日地第二拉格朗日点的旅途。这台耗资约43亿美元、主镜口径2.4米、搭载近3亿像素宽视场相机的空间天文台，将在部署调试后，开启一场前所未有的深空巡天。
图1 发射31分钟后，望远镜与火箭分离，Roman将独自踏上前往L2点的旅程 来源：NASA
图2 Roman 空间望远镜艺术想象图 来源：NASA/GSFC
Roman的主任务期为5年，设计寿命则可延至10年。升空后，它将飞向距地球约150万公里的日地L2点——那里是太空望远镜的理想泊位：热环境稳定、连续观测窗口长，既无地球遮挡之虞，也没有近地轨道卫星穿梭干扰。任务团队预计用三个月左右完成飞行、部署、设备测试和标定工作，首批科学图像有望在2027年初与公众见面。
从地面巡天到空间巡天
宇宙学巡天中的弱引力透镜科学，需要测量全天所有能见到的星系形状，这是一项极其困难的工作。地基望远镜中，斯隆数字巡天虽然能把全天星系几乎都拍一遍，但是其主镜的精度不足。近些年欧洲的2.4米KIDS巡天，美国的4米DECam巡天和日本的8米Subaru巡天都获得了不错的科研成果，可谁都绕不开大气层这堵墙。大气湍流把地面巡天望远镜的分辨率压得很低，而且图像总在不同方向上飘忽变形，想在地面上精准测量星系形状，基本是奢望。哈勃空间望远镜倒是避开了大气干扰，可它的视场太窄，巡天效率根本不够用。
答案似乎很明显：发射一台专用的巡天望远镜到太空。但问题出在钱上——天文学家手里没有几十亿美元去造一台口径跟哈勃相当的空间望远镜，也没那么容易说服国会拨款。于是美国科学家退了一步：先造个一米多的，送上天就行。哪怕只有一米口径，在太空里的分辨率也碾压地面任何巡天设备，而且口径小意味着发射成本低，国会那边也好过关。可麻烦的是，欧洲那边也在造一台1米级的巡天望远镜，这就是后来发射的欧几里得。两台望远镜科学目标几乎重叠，对全球天文界来说，难免有资源浪费之嫌。
转机来得意外。美国国家侦察局（专门负责间谍卫星的机构）传来消息：“我们手里有多余的望远镜镜片，闲着也是闲着，不如给你们做天文观测。”这简直是天上掉馅饼。侦察卫星的镜片本身就是为大视场设计的，正好契合巡天需求，NASA的天文学家们毫不客气地收下了这份厚礼。只可惜经费有限，两片镜片只能选一片用，这就是刚刚升空的Roman望远镜。
图3 光学工程师 Bente Eegholm 检查 Roman 的 2.4 米主镜 来源：NASA / Chris Gunn
未来数年，Roman将与欧洲空间局的欧几里得望远镜和中国巡天空间望远镜（CSST）分别开展大规模空间巡天。三者各有侧重：欧几里得优先覆盖大面积天区，CSST以可见光多波段观测为主，Roman则把更多观测时间用于更深的近红外成像。
口径与成像能力
口径永远是望远镜最重要的指标，一台望远镜的口径决定了它在单位时间内接收到光子的数量，从而决定了你能看到多暗的星系（在相同观测波长下）。其次，口径决定了望远镜的分辨率，也就是说，同一个目标，你能看得多清楚。不过最终图像质量还要取决于光学系统、探测器稳定性和指向精度，不是口径一个数字说了算。
Roman主镜口径为2.4米，与哈勃相同；欧几里得为1.2米，CSST为2米。所以从口径这个指标来说，Roman更胜一筹，它在深度近红外巡天中占据优势，带来的代价是，它的光学、结构、热控和校准系统更加复杂，因此，它的发射进度远远落后于欧洲同行的欧几里得望远镜。
图4 哈勃望远镜和Roman望远镜视场的对比，左上角的方框是哈勃的视场。同样看向一片深空，Roman 一次能够收入镜头的范围远大于哈勃 来源：NASA / STScI
宽视场相机
Roman 空间望远镜需要测量星系的形状，用来限制宇宙学参数。而为了获得更好的宇宙学限制能力，望远镜就需要看到更远处、宇宙处于更早期时星系的样子。因此，将观测波段拓展到红外，是一个自然而然的选择。
Roman的核心科学载荷WFI是一台约3亿像素的宽视场相机，单次曝光覆盖0.281平方度，配备8个成像滤镜，覆盖0.48至2.3微米波长范围，还能同时记录视场内大量天体的低分辨率光谱。NASA通常用一句话概括：Roman单次视场约为哈勃的100倍以上。
| 望远镜 | 单次视场 | 主要波段及侧重 |
| Roman | 0.281平方度 | 可见光至近红外；较小面积、更深观测 |
| 欧几里得 | 约0.54平方度 | 可见光和近红外；优先覆盖大面积天区 |
| CSST | 大于1.1平方度 | 以可见光多波段为主；大面积巡天 |
图5 Roman 宽视场相机示意图：光线经过主镜、次镜和平面镜，进入滤镜轮，最后投射到由 18 块探测器组成的焦平面阵列 来源：Wikimedia Commons
核心观测计划
宇宙学巡天——弱引力透镜
Roman 望远镜的核心科学之一，是弱引力透镜宇宙学。简单来说，遥远星系发出的光，在前往地球的路上会经过星系团、星系和暗物质。这些大质量天体的引力会轻微弯曲时空，把背景星系的图像拉得有一点变形。
单独看一个星系，这点变形根本分辨不出来，因为星系本来就长得千奇百怪。但把几千万乃至上亿个星系放在一起，原本随机的形状里就会露出极其微弱、却有规律的拉伸。天文学家可以借此反推出宇宙中物质，尤其是暗物质的分布，再看这种分布如何随时间演化，用来限制暗能量和宇宙结构的增长方式。
这件事对图像质量苛刻得很。弱透镜信号非常萎缩，星点形状只要不稳定，或者图像被大气搅乱一点，仪器造成的误差就可能把真正的信号淹没掉。这也是为什么 Roman 要把大口径、稳定的空间成像和大面积巡天放在一起。
图6 蓝色区域是科学家利用近 80 万个星系的弱引力透镜信号重建出的暗物质密度图，颜色越亮代表暗物质越密集。Roman 将用相同的基本原理绘制更大范围的物质分布 来源：NASA/STScI/J. DePasquale/A. Pagan
比起 CSST 和欧几里得几乎同时覆盖南北天区、大约 14,000 到 17,500 平方度的大面积范围，Roman 空间望远镜的计划巡天范围只有大约 5,000 平方度。因此，尽管 Roman 望远镜拥有“巡天三剑客”中最大的口径，但是它的相机视场决定了，它更强调观测深度。
Roman 的 广域巡天大约能够探测到 26.5 等的天体（星等数越大，观测到的天体越暗）。而欧几里得的广域巡天在近红外波段，只能够观测到 24.5 等左右的天体。Roman 观测到的天体比欧几里得要暗六倍左右。
图7 Roman 模拟深场中的数十万颗星系。偏红的星系距离更远，偏白的星系距离更近；这片画面只占模拟巡天的 1.3%，整套模拟巡天又只相当于 Roman 计划巡天的 1% 来源：NASA/GSFC、M. Troxel、Caltech-IPAC/R. Hurt
银心巡天——微引力透镜
银心微引力透镜巡天和宇宙学巡天走的是完全不同的路子。望远镜会盯住银河系银心以及附近的 6 个天区，总共大约 1.7 平方度的区域。在 5 年主任务里，这项巡天大约占用 15 个月，分成 6 个主要观测季，每季约 72 天。观测季里，望远镜大概每 12.1 分钟就把整个区域拍一遍。
图8 Roman 计划反复盯住银河系中心附近的狭长天区，图中的彩色斜线同时展示了哈勃已经覆盖的区域 来源：NASA、STScI、Joyce Kang（STScI）
微引力透镜事件指的是，系外行星在银河系运动时，有时会出现在观测者和远方恒星之间。系外行星的引力会放大远方恒星的亮度。这种突然增亮的效应，持续时间从几小时到数天都有。拍得不够勤，就可能错过行星信号。近红外观测也更容易穿透银心方向浓重的尘埃。
Roman 望远镜的微透镜方法可以寻找冷行星、远轨道行星和自由漂浮行星。这些是通过传统的凌星法等其他方法很难发现的稀有行星。在它的 5 年巡天里，预计能够发现上千颗类似的行星。
欧几里得和 CSST 都没有类似的高频银心微透镜巡天。中国的系外地球（Earth 2.0，ET）任务由中国科学院上海天文台领衔，计划在日地 L2 部署由 6 台凌星望远镜和 1 台微透镜望远镜组成的观测台。其中，微透镜望远镜将以更高频率观测银河系中心方向的大量恒星，寻找类似的微透镜事件。
星冕仪技术验证
星冕仪的原理很简单，和日全食差不多。它会在相机前用一个很小的掩膜挡住恒星的光，让相机能够看到恒星附近原本被淹没的系外行星。
图9 Roman 星冕仪测试：从左到右，主动光学元件逐步压低泄漏的星光 来源：NASA/JPL-Caltech
Roman 望远镜的星冕仪，目标是把星光抑制到十亿分之一级别，从而探测并进行光谱分析与宿主恒星视距仅为 0.15 角秒左右的行星。
詹姆斯·韦布空间望远镜、哈勃空间望远镜和 CSST 都有类似的星冕仪，但是 Roman 的星冕仪不仅能够直接对系外行星进行成像，也能直接观测行星的光谱。
过去，系外行星大气研究常用透射光谱：当行星从宿主恒星前方经过时，一小部分星光会穿过行星大气。天文学家从光谱中的吸收特征，判断大气里有什么元素或者分子。而 Roman 则会尝试直接把行星本身的光，从恒星的光芒中分离出来，直接对行星的光谱进行分析。这是完全不同的探测路子。
当然，对于 Roman 望远镜来说，它的光谱分辨率仍然很低，只能看一些很宽的分子吸收带和连续谱。但这项技术直接为 NASA 未来的宜居世界天文台（HWO）铺了路。HWO 有希望能够直接对系外行星进行高分辨率光谱观测，从而在系外行星里寻找生命存在的痕迹。
开放数据与社区科学
传统的图像巡天项目，通常会给项目组内的科学家留出一段数据保护期，以便他们优先发表那些影响力大、又相对容易产出的成果。但Roman面临一个很现实的问题：占据相同生态位的欧几里得空间望远镜，三年前就已经发射，今年11月就要发布首批大规模数据，包含约2000平方度的高分辨率巡天图像。如果Roman也走老路，把数据捂上几年再公开，它的科学影响力会被欧几里得远远甩开。
NASA的想法很直接。巡天望远镜的数据本来就属于整个天文学界，理应让全球研究者共同受益。因此，NASA 对Roman 数据做了一个很有魄力的决定：Roman的所有原始科学数据都没有保护期，完成基础预处理的单次校准图像，会在大约 48 小时内向全世界公开。这样一来，任何人都可以立刻开始做自己的科学问题。
更何况，Roman几个星期就能扫完哈勃一生积累的观测天区，而且比欧几里得拥有更好的分辨率和更深的探测能力。数据一旦公开，全球天文学家必定蜂拥而至。这块蛋糕实在太大，谁都想分一块。而不管哪个团队用这些数据做出了有影响力的成果，功劳簿上都少不了NASA的名字。这样一来，NASA 不仅展示了自己作为天文观测权威机构的开源精神，也显著增强了Roman 望远镜的科学影响力。
巡天三剑客
尽管未来太空中的三台空间望远镜同场竞技，它们的侧重点却各不相同。罗曼、欧几里得和中国巡天空间望远镜（CSST），分别代表了这一代空间光学巡天任务的三种技术取向。三者都计划通过大规模星系成像、红移测量和弱引力透镜来研究暗物质与宇宙膨胀，但在口径、视场、波段覆盖和巡天深度上作出了不同的取舍。
图10 中国巡天空间望远镜（CSST）艺术想象图 来源：中国科学院国家天文台
Roman拥有三者中最大的主镜，但单次视场只有0.281平方度，覆盖面积大约只有欧几里得的一半，CSST的四分之一。因此NASA的策略并非扫遍全天，而是盯住相对较大的一片天区，往深了看。
欧几里得采用1.2米主镜，口径小于Roman和CSST。它的主力是一台约6亿像素的VIS可见光相机，以一个宽波段专门测量星系形状；近红外相机则通过Y、J、H三个波段和无缝光谱来测定星系红移。广域巡天计划覆盖约1.4万平方度，同时设有约53平方度的深场。欧几里得的核心思路是用相对较小的口径和简洁的后端设备尽早发射，在短时间内覆盖大范围天区，快速产出宇宙学成果。
CSST的2米主镜略小于Roman，但大于欧几里得。主巡天相机由30块约9000×9000像素的探测器拼接而成，总像素数约24亿，单次视场超过1.1平方度。按现有方案，CSST计划在十年内覆盖约1.75万平方度，利用6到7个测光波段和3个无缝光谱波段，观测范围覆盖0.255至1.00微米。它在近紫外和可见光多波段、大面积巡天以及测光红移估算方面具有明显优势。此外，CSST还配备了多通道成像仪、积分视场光谱仪和星冕仪等精测载荷，使得它的科学目标不局限于宇宙学巡天。
三台望远镜之间既有竞争，也有明确的互补关系。天文学研究很多时候讲究的就是交叉认证。多台不同望远镜对暗能量做出的观测，能够让我们对最终的结论更有信心。
结论
在大洋彼岸庆祝Roman发射的时候，我们这边CSST的建造也在紧锣密鼓的进行中。坦白来讲，中国巡天空间望远镜在诸多指标上，相比 Roman 望远镜并不存在优势（比如观测波段、观测深度以及分辨率），但是在某些指标上有自己的特点。考虑到我国在天文学方面依然长期处于追赶态势，CSST 会显著地将我国光学天文观测提升到国际先进水平。因此，尽管 CSST 会晚于欧几里得和 Roman 望远镜发射，它的数据是有价值的。
对于我国的科研工作者来说，Roman 这个大蛋糕一定要去抢。Roman 的数据一定要去研究，而且要仔细研究。这不仅是为人类共同的宇宙探索添砖加瓦，也是为 CSST 数据释放积累宝贵的经验。
作者：李天（朴茨茅斯大学宇宙学与引力研究所，欧几里得强引力透镜课题组成员）
科学审核：施韡（上海科技馆天文研究中心）
文章来源：上海天文馆公众号