NASAs Roman-Teleskop bereitet die größte Karte des fernen Universums vor: Der Kern der Mission zielt auf dunkle Materie und dunkle Energie ab
Das Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop der NASA, ein neues großes Infrarot-Observatorium, befindet sich in der Endphase der Vorbereitungen, nachdem das Observatorium als Ganzes fertiggestellt wurde und in die Phase der Integration und des Testens eingetreten ist. Laut NASA ist der Start der Mission offiziell für spätestens Mai 2027 geplant, mit der Möglichkeit, dass sie bereits im Herbst 2026 bereit ist, sofern die Abschlussprüfungen und die Logistik nach Plan verlaufen. Wenn Roman abhebt, soll es eine der ehrgeizigsten Himmelskartierungskampagnen der Geschichte eröffnen: eine Durchmusterung, die Hunderte von Millionen und letztendlich mehr als eine Milliarde Galaxien umfassen wird, um genauer zu verstehen, was die Struktur und die Ausdehnung des Universums steuert.
Im Mittelpunkt dieser Bemühungen steht der
High-Latitude Wide-Area Survey, eine der drei grundlegenden Beobachtungskampagnen der Primärmission von Roman. Es handelt sich um eine breitbandige Durchmusterung „hoher galaktischer Breiten“, was bedeutet, dass das Teleskop weit weg von der staubigen Scheibe der Milchstraße blicken wird, um eine möglichst klare Sicht auf den fernen Kosmos zu haben und den Einfluss von interstellarem Staub auf die Messungen zu verringern. Gemäß den Programmbeschreibungen der NASA wird die Durchmusterung mehr als 5.000 Quadratgrad des Himmels abdecken, was etwa 12 Prozent der gesamten Himmelssphäre entspricht, und zwar in etwas weniger als anderthalb Jahren Beobachtungszeit.
Warum Roman wichtig ist: „Hubble-Qualität“ auf einer großen Himmelsfläche
Bisherige Weltraumobservatorien wie Hubble und James Webb haben extrem detaillierte Aufnahmen und tiefe Einblicke in die frühen Phasen des Universums ermöglicht, jedoch mit einem relativ schmalen Sichtfeld im Vergleich zur riesigen Himmelsfläche, die Astronomen systematisch kartieren wollen. Der entscheidende Vorteil von Roman ist die Kombination aus einem breiten Sichtfeld und der Stabilität der Beobachtungen aus dem Weltraum, was es ermöglicht, auf einer großen Himmelsfläche eine konsistente Qualität der Aufnahmen und Messungen zu erhalten. In der Praxis bedeutet dies, dass an einem Ort die „Breite“ der Durchmusterung mit der für moderne kosmologische Tests erforderlichen Präzision verschmolzen wird.
Genau diese Präzision richtet die Roman-Mission auf die zwei größten „unsichtbaren“ Komponenten des Kosmos.
Dunkle Materie emittiert und absorbiert kein Licht und kann daher nur über ihre Gravitationswirkung auf sichtbare Materie verfolgt werden.
Dunkle Energie hingegen ist die Bezeichnung für das Phänomen, das in der modernen Kosmologie mit der beschleunigten Ausdehnung des Universums in Verbindung gebracht wird. Laut den Programmdokumenten der NASA ist Romans Weitwinkel-Durchmusterung darauf ausgelegt, gleichzeitig zu messen, wie sich das Universum über die Zeit ausdehnt und wie sich kosmische Strukturen – Galaxien, Haufen und Netzwerke – in dieser Ausdehnung entwickeln.
Karte des Universums in 3D: Bild und Spektrum in derselben Kampagne
Der High-Latitude Wide-Area Survey ist nicht als klassische Fotografie des Himmels gedacht, sondern als Kombination zweier Ansätze. Der erste ist die Tiefenaufnahme in mehreren Filtern, die präzise Formen und Farben von Galaxien liefert. Der zweite ist die Spektroskopie, also das „Zerlegen“ des Lichts in einzelne Wellenlängen, um im Spektrum Muster zu erkennen, die die chemische Zusammensetzung, Geschwindigkeiten und – entscheidend für die Kosmologie – die Rotverschiebung offenbaren. Gemäß den Missionsbeschreibungen der NASA soll der spektroskopische Teil der Roman-Durchmusterung Spektren für etwa 20 Millionen Galaxien sammeln.
Die Rotverschiebung ermöglicht es zu schätzen, wie schnell sich eine Galaxie entfernt und wie groß ihre Entfernung ist, da die Wellenlängen des Lichts „gestreckt“ werden, während sich der Raum ausdehnt. Auf dieser Grundlage erstellen Astronomen dreidimensionale Karten der Galaxienverteilung über die Zeit und verwandeln den Himmel praktisch in eine Karte der kosmischen Geschichte. Laut den Daten zu den Zielen der Durchmusterung soll Roman Galaxien innerhalb des Durchmusterungsgebiets bis zu einer Entfernung von etwa 11–11,5 Milliarden Lichtjahren kartieren, wodurch ein großer Teil der Geschichte des Universums nach den frühen Epochen erfasst wird.
„Wiegen von Schatten“: Schwacher Gravitationslinseneffekt als Spur dunkler Materie
Eines der wichtigsten Instrumente der Durchmusterung wird die Messung des
schwachen Gravitationslinseneffekts sein. In der allgemeinen Relativitätstheorie krümmt jede Masse die Raumzeit, und in großen Maßstäben kann dies die Bilder entfernter Galaxien verzerren. Bei starkem Linseneffekt ist der Effekt manchmal offensichtlich – Bögen, Ringe oder Mehrfachbilder derselben Quelle –, doch für die Kosmologie ist besonders der schwache Linseneffekt wertvoll, bei dem die Verformungen winzig und „auf den ersten Blick“ unsivaltbar sind. Ein solches Signal wird erst messbar, wenn die Formen einer riesigen Anzahl von Galaxien statistisch analysiert werden, wobei nach gemeinsamen, sehr kleinen Änderungen in der Orientierung und Elliptizität gesucht wird.
Nach Schätzungen, die die NASA im Kontext von Romans Weitwinkel-Durchmusterung anführt, könnte das Teleskop mehr als eine Milliarde Galaxien registrieren, und etwa 600 Millionen von ihnen werden qualitativ ausreichend hochwertige Formmessungen haben, um für die Analyse des schwachen Linseneffekts verwendet zu werden. Aus solchen Daten entsteht eine Karte der Massenverteilung – einschließlich der unsichtbaren Masse – durch verschiedene Zeiträume der kosmischen Geschichte. Wenn man sieht, wie sich „Klumpen“ von Masse bilden und wachsen, erhält man einen Test sowohl für die dunkle Materie als auch dafür, wie sich die Gravitation auf den größten Skalen verhält.
Wichtig ist auch, dass die hohen Standards der Datenverarbeitung, die erforderlich sind, um das schwache Signal von instrumentellen systematischen Fehlern zu trennen, die gesamte Gemeinschaft voranbringen können. Laut NASA öffnet gerade die Erwartung sehr homogener, qualitativ hochwertiger Daten auf einer großen Himmelsfläche Raum nicht nur für präzise Messungen, sondern auch für unerwartete Entdeckungen, von seltenen Objekten bis hin zu neuen Arten von Phänomenen, die in kleineren Stichproben leicht verloren gehen.
„Kosmisches Lineal“: Baryonische akustische Oszillationen und die Expansionsgeschichte
Die zweite große Säule des Roman-Programms in dieser Durchmusterung ist die Messung
baryonischer akustischer Oszillationen – „eingefrorene“ Spuren von Schallwellen aus dem sehr frühen Universum. Nach dem kosmologischen Modell, das die NASA im Kontext der Mission beschreibt, war das Universum in den ersten Hunderttausenden von Jahren nach dem Urknall ein heißes Plasma, in dem Materie und Strahlung stark gekoppelt waren. Winzige Unregelmäßigkeiten in der Dichte erzeugten eine gravitative Anziehung, aber der Strahlungsdruck und die hohe Temperatur verursachten eine Abstoßung, was Druckwellen auslöste – eine Art „Schall“ des frühen Universums. Als das Universum ausreichend abgekühlt war, hörten diese Wellen auf zu wandern und hinterließen ein Muster in der Verteilung der Materie.
Heute äußert sich dieses Muster als eine leicht erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass sich Galaxien in bestimmten gegenseitigen Abständen befinden. Diese Abstände fungieren wie ein Lineal: Wenn man die „Standardgröße“ des Musters kennt, kann man durch Messen, wie es in verschiedenen Epochen erscheint, darauf schließen, wie sich der Raum ausgedehnt hat. In den NASA-Materialien zu Roman wird angegeben, dass diese Ringe im heutigen Universum in der Größenordnung von etwa 500 Millionen Lichtjahren liegen. Romans Kombination aus einer großen Galaxienstichprobe und spektroskopischen Rotverschiebungs-Messungen soll die Präzision solcher Messungen verbessern und damit den Raum für verschiedene Theorien der dunklen Energie und Gravitation einschränken.
Ist die dunkle Energie „veränderlich“? Roman als Test für empfindlichste Anzeichen
In den letzten Jahren hat eine Reihe von Messungen aus verschiedenen Experimenten und Teleskopen Diskussionen darüber ausgelöst, ob die dunkle Energie über die Zeit konstant ist oder ob ihre „Stärke“ sich entwickeln könnte. Die NASA betont in ihren Programmbeschreibungen der Roman-Mission, dass gerade die Kombination aus Weitwinkelaufnahmen und Rotverschiebungs-Messungen hochpräzise Tests ermöglichen wird, die solche Anzeichen bestätigen oder verwerfen könnten. In dieser Logik ist Roman als Instrument konzipiert, das nicht nur eine weitere Zahl zur Expansionsgeschwindigkeit liefert, sondern gleichzeitig die Übereinstimmung zweier wichtiger „Spuren“ prüft: der Ausdehnung des Universums und dem Wachstum von Strukturen.
In der Praxis könnte es, wenn die Ausdehnung auf eine Weise beschleunigt wird und die Strukturen auf eine andere wachsen, auf die Notwendigkeit einer Korrektur des Modells hindeuten – sei es durch dynamische dunkle Energie oder durch alternative Beschreibungen der Gravitation auf den größten Skalen. Die NASA gibt im Kontext der Ziele von Roman an, dass die Mission zu Messungen der Effekte der dunklen Energie mit deutlich höherer Präzision im Vergleich zu bestehenden Ansätzen führen könnte, was eine klarere Unterscheidung der führenden theoretischen Szenarien ermöglichen würde.
Was man sonst noch „nebenbei“ erhält: Von fernen Galaxien bis zu Objekten des Sonnensystems
Obwohl der High-Latitude Wide-Area Survey mit der Kosmologie im Fokus entworfen wurde, bedeuten seine Breite und Tiefe, dass sich in denselben Daten auch eine enorme Menge an Informationen finden wird, die für andere Bereiche der Astronomie nützlich sind. Laut NASA kann die Art und Weise, wie Roman den Himmel absuchen wird, Raum für Entdeckungen eröffnen, die von kleinen Gesteinskörpern in den äußeren Teilen des Sonnensystems bis hin zu explosiven Ereignissen und Galaxienverschmelzungen sowie schwarzen Löchern in der fernen Vergangenheit des Universums reichen. Besonders wichtig ist die Tatsache, dass ein homogener Datensatz, der in relativ kurzer Zeit für eine so große Himmelsfläche erstellt wurde, systematische Vergleiche und die Suche nach seltenen Objekten ermöglichen wird.
Missionsorganisation und Industriepartner
Das Roman-Teleskop wird vom NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt (Maryland) geleitet, unter Beteiligung des Jet Propulsion Laboratory in Kalifornien sowie Institutionen wie Caltech/IPAC und dem Space Telescope Science Institute, die in den Missionsbeschreibungen der NASA wichtige Rollen in der wissenschaftlichen Infrastruktur und der Datenarbeit einnehmen. Im industriellen Teil des Programms nennt die NASA mehrere Schlüsselpartner, darunter BAE Systems, L3Harris Technologies und Teledyne Scientific & Imaging, Unternehmen, die mit der Entwicklung und Integration der Schlüsselsysteme des Observatoriums und der Instrumente verbunden sind.
Für die wissenschaftliche Gemeinschaft werden die Regeln für den Zugang und die Verteilung der Daten vielleicht genauso wichtig sein wie die Hardware. Romans „Core Community Surveys“, zu denen auch der High-Latitude Wide-Area Survey gehört, werden durch einen gemeinsamen Prozess gestaltet und sollen Datensätze generieren, die von einem breiten Kreis von Forschern genutzt werden. Die NASA und die Partnerinstitutionen kündigen an, dass solche Sets auch die Grundlage für Projekte werden, die heute noch gar nicht erdacht sind, was typisch für Missionen ist, die Standardreferenzen bei den Messungen des Universums schaffen.
Quellen:- NASA – Bekanntgabe des Abschlusses der Montage des Observatoriums und des vorläufigen Startplans ( Link )
- Science@NASA – Zusammenfassung und Infografik des High-Latitude Wide-Area Survey-Programms, Durchmusterungsfläche und Beobachtungsstruktur ( Link )
- Roman Space Telescope (NASA/GSFC) – Offizielle Seite der Durchmusterung und wissenschaftliche Ziele ( Link )
- Roman Community Defined Surveys (STScI) – Technische Beschreibung des High-Latitude Wide-Area Survey und Methoden (schwacher Linseneffekt, BAO, RSD) ( Link )
- NASA – Beschreibung der Missionsorganisation und der Industriepartner ( Link )
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Erstellungszeitpunkt: 6 Stunden zuvor