Roman-telescoop: 100x het gezichtsveld van Hubble

De Nancy Grace Roman Space Telescope beschikt over een gezichtsveld dat minstens 100 keer groter is dan dat van de infraroodinstrumenten van de Hubble Space Telescope, waardoor hij het equivalent van 100 afbeeldingen van Hubble-kwaliteit in één enkele observatie kan vastleggen. Waar Hubble diepe "sleutelgat"-weergaven van de kosmos biedt, kan het Wide Field Instrument van Roman in één opname gebieden in beeld brengen die 1⅓ keer zo groot zijn als de volle maan. Deze ongekende schaal stelt Roman in staat om in zijn eerste vijf jaar meer van de hemel in kaart te brengen dan Hubble heeft gedaan in meer dan drie decennia van activiteit.

NASA bereidt momenteel de lancering voor van dit observatorium van de volgende generatie, dat naar verwachting al eind 2026 van de aarde naar de verre ruimte zal reizen. De missie is vernoemd naar Dr. Nancy Grace Roman, NASA's eerste hoofdastronoom en de "Moeder van Hubble", en is specifiek ontworpen om de grootste mysteries van de moderne natuurkunde op te lossen: Donkere materie en donkere energie. Door de grootschalige structuur van het universum met panoramische precisie in kaart te brengen, zal Roman de statistische kracht leveren die nodig is om te begrijpen waarom de uitdijing van de kosmos versnelt en hoe onzichtbare materie de vorming van sterrenstelsels dicteert.

Wat is de Core Survey van NASA's Roman-missie?

De Core Survey, formeel bekend als de High-Latitude Wide-Area Survey, is een primair observatieprogramma dat de Nancy Grace Roman Space Telescope zal gebruiken om honderden miljoenen sterrenstelsels in kaart te brengen over 5.000 vierkante graden van de hemel. Dit onderzoek, dat in slechts 1,5 jaar ongeveer 12 procent van de hemelbol beslaat, combineert hoge-resolutie beeldvorming en spectroscopie om de kosmische uitdijing en de distributie van Donkere materie over miljarden lichtjaren te volgen.

Om een zo helder mogelijk zicht op het verre universum te krijgen, zal het onderzoek "omhoog" en "naar buiten" kijken, weg van het stoffige vlak van de Melkweg. Deze aanpak op hoge breedtegraad zorgt ervoor dat het licht van afgelegen sterrenstelsels niet wordt verduisterd door lokaal interstellair puin. Volgens Ryan Hickox, professor aan Dartmouth College en covoorzitter van de commissie voor het ontwerp van het onderzoek, zal de missie diepe 3D-beelden van de kosmos produceren. Deze driedimensionale gegevens stellen onderzoekers in staat om niet alleen te meten waar sterrenstelsels zich bevinden, maar ook hoe ver ze weg zijn, wat een historisch verslag oplevert van hoe het universum is geëvolueerd van zijn kindertijd tot de dag van vandaag.

Waarom wordt Roman de 'ultieme surveytelescoop' genoemd?

NASA’s Roman-missie wordt beschouwd als de ultieme surveytelescoop omdat hij de kloof overbrugt tussen breedveld-surveys vanaf de grond en de hoge-resolutie diepte van ruimtetelescopen. Hij kan miljoenen sterrenstelsels vastleggen in een enkel ultra-deep field, waarbij kaarten worden geproduceerd die voor andere telescopen eeuwen in beslag zouden nemen. Deze efficiëntie maakt het mogelijk om Donkere materie en kosmische versnelling te bestuderen op een statistische schaal die nooit eerder mogelijk was in de astrofysica.

De enorme hoeveelheid data die Roman zal produceren is moeilijk te visualiseren met traditionele maatstaven. David Weinberg, hoogleraar astronomie aan de Ohio State University, merkt op dat voor zelfs een enkele Roman-afbeelding een wand van 4K-televisies nodig zou zijn om deze op volledige resolutie weer te geven. Om de volledige High-Latitude Wide-Area Survey in één keer te tonen, zouden een half miljoen 4K-schermen nodig zijn — een display dat groot genoeg is om de rotswand van El Capitan in Yosemite National Park te bedekken. Deze massale dataset is essentieel voor het identificeren van subtiele patronen in het kosmische web die de aanwezigheid van onzichtbare krachten onthullen.

Het donkere universum ontcijferen via gravitatielenswerking

Zwakke gravitatielenswerking dient als een van de belangrijkste instrumenten die Roman zal gebruiken om de onzichtbare componenten van de kosmos te "wegen". Omdat Donkere materie geen licht uitzendt of reflecteert, kan het alleen worden gedetecteerd door zijn zwaartekrachtinvloed op zichtbare objecten. Wanneer het licht van een ver sterrenstelsel door een concentratie van onzichtbare massa reist, vervormt de zwaartekracht van die massa de ruimtetijd, waardoor het uiterlijk van het sterrenstelsel wordt vervormd als in een lachspiegel. Door deze subtiele vervormingen bij miljoenen sterrenstelsels te analyseren, zal Roman een hoge-resolutiekaart maken van het verborgen geraamte van het universum.

Dit proces van het "wegen van schaduwen" stelt wetenschappers in staat om te zien hoe Donkere materie in de loop van de tijd samenklit. Als donkere energie — de mysterieuze kracht achter de kosmische versnelling — sterker is dan huidige modellen suggereren, zou dit de groei van deze concentraties belemmeren door materie sneller uit elkaar te duwen. Romans vermogen om dit getouwtrek tussen zwaartekracht en donkere energie gedurende verschillende tijdperken van de kosmische geschiedenis te observeren, zal cruciaal bewijs leveren om te bepalen of donkere energie een constante eigenschap van de ruimte is of een dynamisch veld dat in de loop van de tijd verandert.

De rol van Type Ia supernova's bij het meten van de uitdijing

Standaardkaarsen, specifiek Type Ia supernova's, zullen de lensgegevens aanvullen om een nauwkeurige meting van de uitdijingssnelheid van het universum te geven. Omdat deze stellaire explosies een bekende intrinsieke helderheid hebben, vertelt hun schijnbare helderheid vanaf de aarde astronomen precies hoe ver weg ze zijn. Door de roodverschuiving van duizenden van deze supernova's te meten, zal Roman de geschiedenis van de kosmische uitdijing reconstrueren met een precisie die tien keer groter is dan die van huidige instrumenten. Dit historische verslag is essentieel voor het begrijpen van "kosmische versnelling", wat Weinberg omschrijft als het grootste mysterie in de gehele natuurkunde.

• Beeldvorming: Legt de vormen en posities vast van 300 miljoen sterrenstelsels.
• Spectroscopie: Meet de chemische samenstelling en afstand van miljoenen sterrenstelsels.
• Tijdsdomein: Houdt de hemel in de gaten voor kortstondige gebeurtenissen zoals supernova's.
• Resolutie: Behoudt de scherpte van de Hubble-klasse over een breed gezichtsveld.

De inventarisatie uitbreiden: exoplaneten en stellaire archeologie

Gravitatie-microlensing zal de Roman-missie in staat stellen om een enorme inventarisatie uit te voeren van planeten binnen ons eigen sterrenstelsel, inclusief planeten die zich ver van hun moederster bevinden. Hoewel het primaire doel van het onderzoek kosmologisch is, zullen dezelfde breedveldgegevens zeldzame gebeurtenissen vastleggen waarbij de zwaartekracht van een ster of planeet op de voorgrond fungeert als een vergrootglas voor een verder weg gelegen ster. Deze techniek is gevoelig voor "koude" planeten vergelijkbaar met Jupiter of Saturnus, evenals voor weesplaneten die door de ruimte dwalen zonder moederster, wat een compleet beeld geeft van de planetaire demografie in de Melkweg.

Bovendien zal Roman dienen als instrument voor stellaire archeologie, door de populaties sterren in nabijgelegen sterrenstelsels te bestuderen. Door individuele sterren in een grote verscheidenheid aan galactische omgevingen te onderscheiden, kunnen astronomen de levenscycli van sterrenstelsels en de geschiedenis van stervorming reconstrueren. Deze veelzijdige capaciteit garandeert dat de gegevens van de High-Latitude Wide-Area Survey zullen worden gebruikt door duizenden onderzoekers in verschillende subgebieden van de astronomie, van degenen die de kleinste bruine dwergen bestuderen tot degenen die de grootste superclusters in het universum onderzoeken.

Conclusie: Een nieuw tijdperk van ontdekking

De Nancy Grace Roman Space Telescope zal ons begrip van de 95% van het universum die onzichtbaar blijft voor onze huidige instrumenten, fundamenteel veranderen. Terwijl de James Webb Space Telescope (JWST) is ontworpen om met extreem detail in te zoomen op specifieke doelen, biedt Roman de context van het "totaalplaatje" die nodig is om die doelen te vinden en hun plaats in het kosmische web te begrijpen. De synergie tussen deze observatoria, samen met faciliteiten op de grond zoals het Vera C. Rubin Observatory, zal een gouden tijdperk van de kosmologie inluiden.

Nu de missie haar lancering vanaf NASA’s Kennedy Space Center nadert, bereidt de wetenschappelijke gemeenschap zich voor op een datavloed. De "Ultieme Survey" is niet zomaar een naam; het vertegenwoordigt een verschuiving naar big-data astronomie waarbij miljarden objecten tegelijkertijd worden gevolgd. Aan het einde van zijn primaire missie zal Roman de definitieve kaart van de kosmos hebben geleverd, waardoor mogelijk het mysterie van donkere energie wordt opgelost en de ware aard van de donkere kant van ons universum wordt onthuld.