Kosmiczny Teleskop Romana: 100-krotnie większe pole widzenia niż Hubble

Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman charakteryzuje się polem widzenia co najmniej 100 razy większym niż instrumenty podczerwone Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, co pozwala mu na uchwycenie ekwiwalentu 100 obrazów o jakości Hubble'a podczas jednej obserwacji. Podczas gdy Hubble zapewnia głębokie widoki kosmosu typu „dziurka od klucza”, Wide Field Instrument teleskopu Roman może zobrazować obszary 1⅓ raza większe od tarczy Księżyca w pełni za jednym razem. Ta bezprecedensowa skala pozwala teleskopowi Roman na zbadanie większej części nieba w ciągu pierwszych pięciu lat pracy niż Hubble zdołał to zrobić w ciągu ponad trzech dekad operacji.

NASA przygotowuje się obecnie do wystrzelenia tego obserwatorium nowej generacji, którego przejście z Ziemi w głęboką przestrzeń kosmiczną zaplanowano na koniec 2026 roku. Nazwana na cześć dr Nancy Grace Roman, pierwszej głównej astronom NASA i „Matki Hubble’a”, misja została zaprojektowana specjalnie w celu rozwiązania największych zagadek współczesnej fizyki: Ciemnej Materii i ciemnej energii. Mapując strukturę wszechświata w dużej skali z panoramiczną precyzją, Roman zapewni moc statystyczną niezbędną do zrozumienia, dlaczego ekspansja kosmosu przyspiesza i jak niewidzialna materia dyktuje formowanie się galaktyk.

Czym jest Core Survey prowadzony przez misję Roman NASA?

Core Survey, formalnie znany jako High-Latitude Wide-Area Survey, to główny program obserwacyjny, który wykorzysta Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman do zmapowania setek milionów galaktyk na obszarze 5000 stopni kwadratowych nieba. Obejmując około 12 procent sfery niebieskiej w zaledwie 1,5 roku, przegląd ten łączy obrazowanie o wysokiej rozdzielczości i spektroskopię w celu śledzenia ekspansji kosmicznej oraz rozmieszczenia Ciemnej Materii na przestrzeni miliardów lat świetlnych.

Aby uzyskać jak najczystszy obraz odległego wszechświata, przegląd będzie skierowany „w górę” i „na zewnątrz” od zapylonej płaszczyzny Drogi Mlecznej. To podejście oparte na wysokich szerokościach galaktycznych gwarantuje, że światło z odległych galaktyk nie zostanie przesłonięte przez lokalny pył międzygwiezdny. Według Ryana Hickoxa, profesora z Dartmouth College i współ przewodniczącego komitetu projektowego przeglądu, misja stworzy głębokie trójwymiarowe obrazy kosmosu. Te trójwymiarowe dane pozwolą naukowcom mierzyć nie tylko położenie galaktyk, ale także ich odległość, dostarczając historycznego zapisu tego, jak wszechświat ewoluował od swoich początków do dnia dzisiejszego.

Dlaczego Roman nazywany jest „najlepszym teleskopem przeglądowym”?

Misja Roman NASA jest uważana za najlepszy teleskop przeglądowy, ponieważ wypełnia lukę między szerokokątnymi przeglądami naziemnymi a dużą głębokością obrazowania teleskopów kosmicznych o wysokiej rozdzielczości. Może on uchwycić miliony galaktyk w jednym ultra-głębokim polu, tworząc mapy, których ukończenie innym teleskopom zajęłoby wieki. Ta wydajność pozwala na badanie Ciemnej Materii i przyspieszenia kosmicznego w skali statystycznej nigdy wcześniej nieosiągalnej w astrofizyce.

Skalę danych, jakie wygeneruje Roman, trudno zobrazować przy użyciu tradycyjnych miar. David Weinberg, profesor astronomii na Ohio State University, zauważa, że nawet pojedynczy obraz z teleskopu Roman wymagałby ściany telewizorów 4K, aby wyświetlić go w pełnej rozdzielczości. Pokazanie całego przeglądu High-Latitude Wide-Area Survey naraz wymagałoby pół miliona ekranów 4K – to wyświetlacz wystarczająco duży, by pokryć zbocze góry El Capitan w Parku Narodowym Yosemite. Ten ogromny zbiór danych jest niezbędny do zidentyfikowania subtelnych wzorców w kosmicznej sieci, które ujawniają obecność niewidzialnych sił.

Dekodowanie ciemnego wszechświata poprzez soczewkowanie grawitacyjne

Słabe soczewkowanie grawitacyjne służy jako jedno z głównych narzędzi, których Roman użyje do „zważenia” niewidzialnych składników kosmosu. Ponieważ Ciemna Materia nie emituje ani nie odbija światła, można ją wykryć jedynie poprzez jej wpływ grawitacyjny na widzialne obiekty. Kiedy światło z odległej galaktyki przechodzi przez skupisko niewidzialnej masy, grawitacja tej masy zagina czasoprzestrzeń, zniekształcając wygląd galaktyki niczym w krzywym zwierciadle. Analizując te subtelne zniekształcenia w milionach galaktyk, Roman stworzy wysokiej rozdzielczości mapę ukrytego rusztowania wszechświata.

Ten proces „ważenia cieni” pozwala naukowcom zobaczyć, jak Ciemna Materia skupia się w czasie. Jeśli ciemna energia – tajemnicza siła napędzająca ekspansję kosmiczną – jest silniejsza niż sugerują obecne modele, utrudniałaby ona wzrost tych skupisk, odpychając materię od siebie szybciej. Zdolność teleskopu Roman do obserwowania tego przeciągania liny między grawitacją a ciemną energią w różnych epokach historii kosmosu dostarczy kluczowych dowodów, aby ustalić, czy ciemna energia jest stałą właściwością przestrzeni, czy dynamicznym polem zmieniającym się w czasie.

Rola supernowych typu Ia w pomiarze ekspansji

Świece standardowe, a konkretnie supernowe typu Ia, uzupełnią dane z soczewkowania, aby zapewnić precyzyjny pomiar tempa ekspansji wszechświata. Ponieważ te eksplozje gwiazd mają znaną jasność absolutną, ich jasność obserwowana z Ziemi mówi astronomom dokładnie, jak daleko się znajdują. Mierząc przesunięcie ku czerwieni tysięcy takich supernowych, Roman odtworzy historię kosmicznej ekspansji z dziesięciokrotnie większą precyzją niż obecne instrumenty. Ten zapis historyczny jest niezbędny do zrozumienia „przyspieszenia kosmicznego”, które Weinberg określa jako największą zagadkę w całej fizyce.

• Obrazowanie: Rejestruje kształty i pozycje 300 milionów galaktyk.
• Spektroskopia: Mierzy skład chemiczny i odległość milionów galaktyk.
• Domena czasowa: Monitoruje niebo pod kątem zdarzeń przejściowych, takich jak supernowe.
• Rozdzielczość: Utrzymuje ostrość klasy Hubble'a w szerokim polu widzenia.

Rozszerzenie spisu: egzoplanety i archeologia gwiezdna

Mikrosoczewkowanie grawitacyjne umożliwi misji Roman przeprowadzenie masowego spisu planet w naszej własnej galaktyce, w tym tych znajdujących się daleko od swoich gwiazd macierzystych. Chociaż głównym celem przeglądu jest kosmologia, te same dane szerokokątne zarejestrują rzadkie zdarzenia, w których grawitacja gwiazdy lub planety z pierwszego planu działa jak szkło powiększające dla bardziej odległej gwiazdy. Technika ta jest czuła na „zimne” planety podobne do Jowisza lub Saturna, a także na planety swobodne, które wędrują przez przestrzeń bez gwiazdy macierzystej, zapewniając pełny obraz demografii planetarnej w Drodze Mlecznej.

Co więcej, Roman będzie służył jako narzędzie do archeologii gwiezdnej, badając populacje gwiazd w pobliskich galaktykach. Rozdzielając poszczególne gwiazdy w różnorodnych środowiskach galaktycznych, astronomowie mogą odtworzyć cykle życia galaktyk i historię formowania się gwiazd. Ta szeroka zdolność badawcza gwarantuje, że dane z High-Latitude Wide-Area Survey będą wykorzystywane przez tysiące naukowców z różnych dziedzin astronomii – od badaczy najmniejszych brązowych karłów po osoby badające największe supergromady we wszechświecie.

Podsumowanie: Nowa era odkryć

Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman fundamentalnie zmieni nasze rozumienie 95% wszechświata, który pozostaje niewidoczny dla naszych obecnych instrumentów. Podczas gdy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) jest zaprojektowany do przybliżania konkretnych celów z ekstremalną szczegółowością, Roman zapewnia kontekst „szerszej perspektywy” niezbędny do znalezienia tych celów i zrozumienia ich miejsca w kosmicznej sieci. Synergia między tymi obserwatoriami, wraz z obiektami naziemnymi, takimi jak Obserwatorium Very C. Rubin, zapoczątkuje złotą erę kosmologii.

W miarę zbliżania się terminu wystrzelenia z Centrum Kosmicznego im. Kennedy’ego (NASA), społeczność naukowa przygotowuje się na potop danych. „Najlepszy przegląd” to nie tylko nazwa; to reprezentacja zwrotu w stronę astronomii wielkich zbiorów danych (big data), gdzie miliardy obiektów są śledzone jednocześnie. Do końca swojej podstawowej misji Roman dostarczy ostateczną mapę kosmosu, potencjalnie rozwiązując zagadkę ciemnej energii i ujawniając prawdziwą naturę ciemnej strony naszego wszechświata.