Das bevorstehende Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA, dessen Start für spätestens Mai 2027 geplant ist, während die Teams fleißig an einem möglichen Start bereits im Herbst 2026 arbeiten, läutet eine neue Ära in der astronomischen Forschung ein. Dieses Observatorium, ausgestattet mit fortschrittlichen Instrumenten, ist als eine Art Entdeckungsmaschine konzipiert, vor allem dank seines extrem weiten Sichtfeldes, das eine beispiellose Menge an wissenschaftlichen Daten generieren wird. Sein Schlüsselinstrument, das Wide Field Instrument (WFI), das im nahen Infrarotspektrum arbeitet, ist in der Lage, einen Himmelsbereich zu erfassen, der 200-mal größer ist als das, was die Infrarotkamera des legendären Hubble-Weltraumteleskops aufzeichnen kann, und das bei gleicher Bildschärfe und -empfindlichkeit. Im Rahmen seiner fünfjährigen Hauptmission wird das Roman-Teleskop etwa 75 % seiner Beobachtungszeit der Durchführung von drei grundlegenden Gemeinschaftsdurchmusterungen widmen, die in umfassender Zusammenarbeit innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft definiert wurden. Eine dieser Schlüsseldurchmusterungen wird der systematischen Suche am Himmel nach kosmischen Ereignissen gewidmet sein, die im Laufe der Zeit erscheinen, aufleuchten und sich verändern, wie zum Beispiel Sternenexplosionen oder Kollisionen von Neutronensternen.

Auf der Suche nach flüchtigen kosmischen Phänomenen

Das Programm namens High-Latitude Time-Domain Survey (Zeitbereichsdurchmusterung bei hohen Breiten) wird seinen Blick außerhalb der Ebene unserer Milchstraßengalaxie richten, und zwar auf Gebiete mit hohen galaktischen Breiten. Ziel ist die Untersuchung von Objekten, deren Helligkeit sich im Laufe der Zeit ändert. Der wichtigste wissenschaftliche Antrieb dieser ehrgeizigen Durchmusterung ist die Entdeckung von Zehntausenden einer bestimmten Art von Sternenexplosionen, die als Typ-Ia-Supernovae bekannt sind. Diese Supernovae sind in der modernen Kosmologie von außerordentlicher Bedeutung, da sie als "Standardkerzen" dienen – Werkzeuge, mit denen Astronomen Entfernungen im Universum präzise messen und die Geschichte seiner Ausdehnung kartieren können. Durch die Analyse dieser kosmischen Kataklysmen wollen Wissenschaftler einige der größten Geheimnisse des Universums lüften, einschließlich der Natur der rätselhaften dunklen Energie.

Masao Sako von der University of Pennsylvania, der Co-Vorsitzender des für die Definition dieser Durchmusterung zuständigen Ausschusses war, betont: "Roman wurde entwickelt, um Zehntausende von Typ-Ia-Supernovae in größeren Entfernungen als je zuvor zu finden. Mit ihnen können wir die Expansionsgeschichte des Universums messen, die von der Menge an dunkler Materie und dunkler Energie abhängt. Letztendlich hoffen wir, mehr über die Natur der dunklen Energie selbst zu erfahren." Genau die Daten von Roman werden entscheidende Einblicke liefern, ob die dunkle Energie eine Konstante ist oder ob sich ihre Stärke im Laufe der kosmischen Geschichte verändert hat.

Supernovae als Schlüssel zum Verständnis der dunklen Energie

Typ-Ia-Supernovae sind als kosmologische Sonden äußerst nützlich, da Astronomen ihre intrinsische Helligkeit zum Zeitpunkt des Explosionshöhepunkts mit großer Sicherheit kennen. Sie explodieren immer mit nahezu identischer maximaler Helligkeit. Durch den Vergleich dieser bekannten intrinsischen Helligkeit mit ihrer beobachteten, scheinbaren Helligkeit von der Erde aus können Wissenschaftler berechnen, wie weit sie entfernt sind. Je dunkler die Supernova erscheint, desto weiter ist sie von uns entfernt. Gleichzeitig wird das Roman-Teleskop auch in der Lage sein, die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich diese Supernovae scheinbar von uns entfernen, indem es die Rotverschiebung ihres Lichts analysiert. Durch die Verfolgung der Fluchtgeschwindigkeit in verschiedenen Entfernungen können Wissenschaftler die Geschichte der kosmischen Expansion durch verschiedene Epochen des Universums präzise rekonstruieren. Dies ist entscheidend für das Verständnis der Rolle der dunklen Energie, der Kraft, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt.

Nur das Roman-Teleskop wird die Fähigkeit haben, die dunkelsten und entferntesten Supernovae zu finden, die die frühen kosmischen Epochen erhellten. Es wird damit die Arbeit von bodengestützten Teleskopen wie dem Vera C. Rubin Observatory in Chile ergänzen, die durch die Absorption von Licht in der Erdatmosphäre und andere Effekte eingeschränkt sind. Die größte Stärke des Rubin-Observatoriums wird darin liegen, Supernovae zu finden, die sich innerhalb der letzten 5 Milliarden Jahre ereignet haben. Andererseits wird Roman diese Sammlung auf viel frühere Perioden in der Geschichte des Universums ausdehnen und bis zu 11 Milliarden Jahre in die Vergangenheit zurückreichen, in eine Zeit, als das Universum nur etwa 3 Milliarden Jahre alt war. Dies wird die gemessene Zeitlinie der Expansionsgeschichte des Universums mehr als verdoppeln und einen beispiellos detaillierten Einblick ermöglichen. Kürzlich hat die Dark Energy Survey Hinweise darauf ergeben, dass die dunkle Energie mit der Zeit schwächer werden könnte, anstatt eine konstante Expansionskraft darzustellen. Romans Untersuchungen werden von entscheidender Bedeutung sein, um diese faszinierende Möglichkeit zu testen.

Beobachtungsstrategie und die Jagd nach seltenen Ereignissen

Um transiente Objekte zu entdecken, deren Helligkeit sich ändert, muss Roman dieselben Himmelsbereiche in regelmäßigen Abständen erneut besuchen. Die High-Latitude Time-Domain Survey wird für diese Beobachtungen insgesamt 180 Tage Beobachtungszeit widmen, die über einen Zeitraum von fünf Jahren verteilt sind. Die meisten Beobachtungen werden während eines zweijährigen Zeitraums in der Mitte der Mission stattfinden, wenn dieselben Felder alle fünf Tage neu abgebildet werden. Zusätzliche 15 Tage Beobachtung werden zu Beginn der Mission durchgeführt, um ein grundlegendes Referenzbild des Himmels zu erstellen.

"Um Dinge zu finden, die sich ändern, verwenden wir eine Technik namens Bildsubtraktion", erklärt Sako. "Man nimmt ein neues Bild und subtrahiert davon ein Bild desselben Himmelsausschnitts, das viel früher aufgenommen wurde – so früh wie möglich in der Mission. Auf diese Weise entfernt man alles, was statisch ist, und es bleiben nur die Objekte übrig, die neu sind oder ihre Helligkeit geändert haben."

Die Durchmusterung wird auch eine erweiterte Komponente umfassen, die einige der Beobachtungsfelder etwa alle 120 Tage erneut besuchen wird, um nach Objekten zu suchen, die sich über längere Zeitskalen ändern. Dies wird bei der Entdeckung der entferntesten transienten Phänomene helfen, die sogar vor 13 Milliarden Jahren existierten, also nur eine Milliarde Jahre nach dem Urknall. Diese Objekte variieren aufgrund der durch die Expansion des Universums verursachten Zeitdilatation langsamer.

"Wir profitieren wirklich von der Beobachtung über die gesamte fünfjährige Dauer der Mission", sagt Brad Cenko vom Goddard Space Flight Center der NASA, der andere Co-Vorsitzende des Untersuchungsausschusses. "Dies ermöglicht es Ihnen, diese sehr seltenen, sehr fernen Ereignisse einzufangen, die sonst schwer zu bekommen sind, uns aber viel über die Bedingungen im frühen Universum erzählen."

Die Suche nach den exotischsten Phänomenen des Universums

Diese erweiterte Komponente der Durchmusterung wird Daten über einige der energiereichsten und langlebigsten transienten Phänomene sammeln. Darunter sind Tidal Disruption Events (Gezeiten-Zerreiß-Ereignisse), spektakuläre Phänomene, bei denen ein supermassereiches Schwarzes Loch mit seiner Schwerkraft einen Stern, der ihm zu nahe kommt, buchstäblich zerreißt. Es wird auch nach vorhergesagten, aber bisher ungesehenen Ereignissen gesucht, die als Paarinstabilitäts-Supernovae bekannt sind. Dies sind theoretisch vorhergesagte Explosionen extrem massereicher Sterne, die so stark sind, dass sie keinen Überrest wie einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch hinterlassen, sondern vollständig im Weltraum zerstreut werden. Die Entdeckung eines solchen Ereignisses wäre ein gewaltiger Schritt nach vorne im Verständnis der Entwicklung der massereichsten Sterne.

Details der Durchmusterung und globale Zusammenarbeit

Die High-Latitude Time-Domain Survey wird in zwei Abbildungsstufen unterteilt: eine breite Stufe, die einen größeren Himmelsbereich abdeckt, und eine tiefe Stufe, die sich auf einen kleineren Bereich konzentriert, aber mit längeren Belichtungszeiten, um dunklere und weiter entfernte Objekte zu entdecken. Die breite Stufe, die etwas mehr als 18 Quadratgrad abdecken wird (ein Himmelsbereich so groß wie 90 Vollmonde), wird auf Objekte innerhalb der letzten 7 Milliarden Jahre abzielen, d.h. in der zweiten Hälfte der Geschichte des Universums. Die tiefe Stufe, die einen Bereich von 6,5 Quadratgrad abdeckt, wird dunklere Objekte erreichen, die vor bis zu 10 Milliarden Jahren existierten. Die Beobachtungen werden in zwei Bereichen stattfinden, einem am Nord- und einem am Südhimmel, um eine umfassende Abdeckung zu gewährleisten.

Diese Durchmusterung wird auch von einer spektroskopischen Komponente begleitet, die auf den Südhimmel beschränkt sein wird. "Wir haben eine Partnerschaft mit dem bodengestützten Subaru-Observatorium, das spektroskopische Nachbeobachtungen am Nordhimmel durchführen wird, während Roman Spektroskopie am Südhimmel durchführen wird. Mit der Spektroskopie können wir mit Sicherheit feststellen, um welche Art von Supernova es sich handelt", erklärt Cenko. Die Spektroskopie zerlegt das Licht eines Objekts in seine einzelnen Farben und enthüllt so seine chemische Zusammensetzung und andere physikalische Eigenschaften, was entscheidend ist, um zu bestätigen, dass es sich um eine Typ-Ia-Supernova handelt. Zusammen mit den beiden anderen Kerndurchmusterungen des Roman-Teleskops, der High-Latitude Wide-Area Survey und der Galactic Bulge Time-Domain Survey, wird diese Untersuchung dazu beitragen, das Universum mit einer nie zuvor erreichten Klarheit und Tiefe zu kartieren.