12 grudnia 2025 r. NASA ogłosiła ambitny plan szczegółowego mapowania naszej galaktyki za pomocą Kosmicznego Teleskopu Nancy Grace Roman. Jest to pierwszy duży przegląd galaktyczny, który to nowe obserwatorium w podczerwieni przeprowadzi, gdy tylko rozpocznie swoją pięcioletnią misję podstawową. W ciągu zaledwie miesiąca efektywnych obserwacji, rozłożonych na pierwsze dwa lata pracy, Roman ma zarejestrować pozycje i właściwości dziesiątek miliardów gwiazd oraz odkryć struktury Drogi Mlecznej, których do tej pory nie mogliśmy zobaczyć z powodu gęstego pyłu i ograniczeń istniejących teleskopów.

Sercem tego przedsięwzięcia jest Galactic Plane Survey – przegląd płaszczyzny galaktycznej, który skupi się na najjaśniejszym, najgęstszym pasie naszej galaktyki, gdzie znajduje się większość gwiazd, gazu i pyłu. Naukowcy spodziewają się, że połączenie szerokiego pola widzenia, wysokiej rozdzielczości przestrzennej i czułości w zakresie podczerwieni zamieni ten przegląd w swoistą „ekspedycję górniczą” przez Drogę Mleczną, z bezprecedensową ilością nowych danych o gwiezdnych żłobkach, umierających gwiazdach, pozostałościach zwartych i egzotycznych układach podwójnych.

Przegląd galaktyczny Romana jako nowa mapa referencyjna Drogi Mlecznej

Galactic Plane Survey będzie pierwszym ogólnym przeglądem astrofizycznym wybranym dla misji Nancy Grace Roman. Będzie on opierał się na trzech fundamentalnych, tzw. przeglądach core, które zostały już zdefiniowane dla misji, a także na demonstracji technologicznej koronografu, instrumentu, który przetestuje zaawansowane metody blokowania blasku gwiazd w celu bezpośredniego obrazowania egzoplanet i dysków pyłowych wokół nich. W ramach misji podstawowej przewiduje się, że co najmniej jedna czwarta całkowitego czasu obserwacji będzie otwarta dla społeczności naukowej w drodze konkursów, więc oczekuje się całego szeregu dodatkowych specjalistycznych programów, ale to właśnie Galactic Plane Survey dostarczy najobszerniejszą „mapę szkieletową” naszej galaktyki.

Plan zakłada, że Roman w głównym komponencie ankiety pokryje około 691 stopni kwadratowych nieba, co odpowiada widocznemu obszarowi około 3500 pełni Księżyca ustawionych jedna obok drugiej. Ta część przeglądu będzie skierowana wzdłuż widocznego pasma Drogi Mlecznej na niebie, czyli wzdłuż płaszczyzny dysku galaktycznego. Dodatkowy komponent skupi się na mniejszym, ale wielokrotnie obserwowanym regionie o powierzchni około 19 stopni kwadratowych – mniej więcej 95 pełni Księżyca – gdzie dziesiątki razy będą monitorowane zmiany jasności i pozycji gwiazd, aby zarejestrować krótkotrwałe zjawiska i procesy dynamiczne.

Trzeci, najgłębszy komponent obejmie szereg małych pól o łącznej powierzchni około 4 stopni kwadratowych. W tych obszarach Roman wykorzysta pełny zestaw filtrów i narzędzi spektroskopowych, aby uzyskać szczegółowe informacje o składzie chemicznym, temperaturze, prędkości i odległości obiektów. Razem te trzy poziomy przeglądu zapewnią wielowarstwowy wgląd w strukturę Drogi Mlecznej: od globalnej geometrii dysku galaktycznego po lokalną fizykę poszczególnych gwiezdnych kolabek i obiektów zwartych.

Szacunki zespołu naukowego mówią, że Roman może zmapować do 20 miliardów gwiazd, przy czym wysoka rozdzielczość przestrzenna i powtarzane obserwacje umożliwią precyzyjny pomiar drobnych przesunięć gwiazd na niebie. Taka astrometria jest kluczowa dla zrozumienia, jak gwiazdy krążą wokół centrum galaktyki, gdzie znajdują się ramiona spiralne, jak rozmieszczona jest ciemna materia i masa widzialna oraz w jaki sposób Droga Mleczna rozwijała się w ciągu historii kosmicznej.

Nowy teleskop jako następczyni Hubble’a i uzupełnienie Gai

Roman Space Telescope kontynuuje tradycję obserwatoriów kosmicznych, takich jak Hubble i James Webb, ale z naciskiem na szerokokątne obserwacje w podczerwieni. Teleskop zostanie umieszczony na orbicie halo wokół punktu L2 układu Słońce–Ziemia, gdzie stabilne środowisko termiczne i stały widok w kosmos umożliwiają długoterminowe, precyzyjne pomiary. Zgodnie z planem NASA misja powinna zostać wystrzelona najpóźniej do maja 2027 roku, przy czym zespół jest obecnie na ścieżce, która umożliwiłaby również wcześniejszy start, już jesienią 2026 roku, rakietą Falcon Heavy z platformy startowej LC-39A w Centrum Kosmicznym Kennedy'ego na Florydzie.

Sam teleskop niedawno przeszedł ważny kamień milowy: zakończono integrację dwóch głównych segmentów obserwatorium, czym oficjalnie zakończono konstrukcję. W największym czystym pomieszczeniu centrum NASA Goddard połączono moduł z optyką i instrumentami oraz moduł serwisowy z systemami zasilania, napędu i komunikacji. Kolejna faza obejmuje serię rygorystycznych testów w komorach próżniowych, na stołach wibracyjnych i w środowiskach termicznych, aby sprawdzić, jak Roman znosi warunki startu i pracy w kosmosie.

Roman niesie w sobie dwa główne instrumenty naukowe. Instrument szerokokątny Wide Field Instrument to w rzeczywistości kamera o rozdzielczości około 300 megapikseli, czuła w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni. Jego szerokość pola widzenia będzie około sto razy większa niż ta, którą Hubble osiąga w standardowym trybie obrazowania, przy czym ostrość poszczególnych pikseli pozostanie porównywalna. Oznacza to, że jedno zdjęcie Romana będzie zawierać szczegóły, które normalnie musielibyśmy zbierać ze stu oddzielnych kadrów Hubble'a.

Drugim kluczowym instrumentem jest koronograf, który przetestuje technologie ekstremalnego tłumienia światła gwiazd. Idea polega na tym, aby dosłownie „zacienić” blask gwiazdy macierzystej złożonymi elementami optycznymi i adaptowalnymi zwierciadłami, otwierając widok na znacznie słabsze obiekty w bezpośrednim sąsiedztwie – takie jak duże egzoplanety lub dyski pyłowe, w których powstają planety. Chociaż koronograf jest demonstracją technologiczną, sukces takiego instrumentu położyłby podwaliny pod przyszłe misje poświęcone bezpośredniemu obrazowaniu światów podobnych do Ziemi.

Roman uzupełni przy tym pracę europejskiego satelity Gaia, który na przestrzeni lat zebrał dane o około dwóch miliardach gwiazd obserwowanych w świetle widzialnym. Chociaż Gaia zrewolucjonizowała nasze zrozumienie dynamiki i struktury Drogi Mlecznej, gęsty pył w wielu obszarach płaszczyzny galaktycznej ogranicza jej zasięg. Dzięki filtrom podczerwonym Roman „zajrzy przez” te zasłonięte obszary, głębiej w jądro galaktyki i na „ukrytą” daleką stronę dysku, i tym samym razem z Gaią dostarczy znacznie pełniejszą trójwymiarową mapę.

Kosmiczne kołyski: gdzie rodzą się nowe gwiazdy

Jednym z najbardziej ekscytujących aspektów Galactic Plane Survey będzie wgląd w olbrzymie obłoki molekularne, w których powstają gwiazdy. W takich regionach, jak słynna Mgławica Carina czy Laguna, gęste skupiska zimnego gazu i pyłu zapadają się pod wpływem własnej grawitacji, tworząc protogwiazdy. Otoczenie jest przy tym bardzo dynamiczne: młode gwiazdy wyrzucają potężne strumienie materii, wybuchają nagłe rozbłyski jasności, pola magnetyczne skręcają przepływy gazu, a fale uderzeniowe poprzednich pokoleń masywnych gwiazd przecinają obłoki.

„Wzrok” podczerwony teleskopu Roman będzie kluczowy dla obserwacji tych procesów, ponieważ większość światła emitowanego przez najmłodsze gwiazdy nigdy nie opuszcza obłoku w zakresie widzialnym – jest absorbowana i rozpraszana na ziarnach pyłu. Roman zobaczy przez ten pył miliony obiektów w różnych fazach wczesnego rozwoju: od wciąż głęboko zagnieżdżonych gwiezdnych „embrionów”, przez burzliwe młode gwiazdy, które nieregularnie błyskają, aż po stabilniejsze gwiazdy, wokół których można już rozpoznać dyski protoplanetarne.

Naukowcy będą mogli w ten sposób śledzić, jak tempo powstawania gwiazd zmienia się wraz z różnymi warunkami – na przykład z gęstością gazu, lokalnym natężeniem promieniowania lub obecnością poprzednich pokoleń masywnych gwiazd. Ponieważ Galactic Plane Survey obejmie bardzo różne regiony dysku galaktycznego, od spokojniejszych peryferii po ruchliwe centrum, wyniki będzie można porównywać niemal tak, jakby badano serię eksperymentów laboratoryjnych w odmiennych warunkach.

W tle wszystkich tych procesów toczy się swoiste „czterostronne przeciąganie liny” między grawitacją, promieniowaniem, polami magnetycznymi a turbulencją. Grawitacja dąży do zbicia gazu w jądra gwiazdowe, podczas gdy promieniowanie młodych i masywnych gwiazd, wraz z wiatrami gwiazdowymi i wybuchami supernowych, rozrywa obłoki i rozprasza materię. Pola magnetyczne i turbulentny ruch gazu dodatkowo spowalniają lub przyspieszają zapadanie się w określonych miejscach. Analiza setek tysięcy gwiezdnych kolabek, które Roman sfotografuje, pozwoli astronomom w końcu ilościowo oddzielić rolę każdego z tych czynników.

Gromady gwiazd jako naturalne laboratoria

Szczególnie cenne będą dane o gromadach gwiazd – „rodzinach” gwiazd, które powstały z tego samego obłoku i w tym samym czasie. Gromady otwarte, których Roman zgodnie z oczekiwaniami przebada prawie dwa tysiące, są zazwyczaj młode i stosunkowo luźno związane grawitacyjnie. Często znajdują się wzdłuż ramion spiralnych galaktyki i są uważane za jeden z kluczowych śladów odkrywających, gdzie w ostatnim czasie powstawały nowe gwiazdy. Jeśli zmierzy się na nich precyzyjne odległości, prędkości i składy chemiczne członków, możliwe jest zrekonstruowanie historii formowania się struktury spiralnej.

Z drugiej strony, gromady kuliste należą do najstarszej „populacji” Drogi Mlecznej. Zazwyczaj znajdują się w halo wokół dysku galaktycznego lub w pobliżu centrum i zawierają setki tysięcy gęsto upakowanych, bardzo starych gwiazd. Galactic Plane Survey skupi się na kilkudziesięciu takich obiektach, zwłaszcza w regionie blisko jądra galaktycznego, gdzie obserwacje były do tej pory utrudnione z powodu pyłu i przepełnienia gwiazdami. Porównując właściwości tych gromad, naukowcy będą mogli określić, w jaki sposób Droga Mleczna w swojej przeszłości „połykała” mniejsze galaktyki i ponownie rozmieszczała gwiazdy.

Zaletą gromad gwiazd w sensie naukowym jest to, że ich gwiazdy dzielą w przybliżeniu ten sam wiek, początkowy skład chemiczny i odległość. Oznacza to, że różnice w jasności lub barwie poszczególnych gwiazd w klastrze odzwierciedlają głównie ich stadium rozwojowe, a nie warunki zewnętrzne. Kiedy następnie porównuje się klastry między sobą, możliwe jest bardzo precyzyjne oddzielenie efektów „natury” – warunków początkowych w obłoku, z którego powstały – od wpływu „wychowania”, czyli otoczenia w galaktyce, przez które się poruszają.

Puls galaktyki: pozostałości zwarte i mikrosoczewkowanie

Gwiazdy podobne do Słońca kończą swoje życie jako białe karły, podczas gdy masywniejsze gwiazdy zapadają się w gwiazdy neutronowe lub czarne dziury. Większość tych pozostałości jest prawie niewidoczna na dużych odległościach, zwłaszcza jeśli nie mają bliskiego towarzysza, od którego „kradną” materię. Roman będzie jednak mógł odkryć nawet takie samotne obiekty zwarte, wykorzystując zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego.

Zgodnie z ogólną teorią względności, każdy obiekt z masą zakrzywia czasoprzestrzeń w swoim otoczeniu. Kiedy światło odległej gwiazdy przechodzi obok takiego zagłębienia grawitacyjnego, jego tor nieznacznie się zakrzywia, więc gwiazda na niebie na krótko pozornie się nam „wzmacnia”. Jeśli rolę soczewki odegra biały karzeł, gwiazda neutronowa lub czarna dziura, która sama w sobie prawie nie świeci, zmiana jasności gwiazdy tła ujawni nam inaczej niewidoczną masę na pierwszym planie.

Specjalna kampania teleskopu Roman, Galactic Bulge Time-Domain Survey, skupi się na długoterminowym monitorowaniu gęstszej, centralnej części galaktyki, aby zarejestrować dużą liczbę zdarzeń mikrosoczewkowania. Galactic Plane Survey przyjmie inne podejście: będzie obserwować szerszy obszar całej płaszczyzny galaktycznej, z krótszymi, ale strategicznie rozmieszczonymi seriami obserwacji. Ta kombinacja pozwoli nareszcie uzyskać pełny obraz rozmieszczenia obiektów zwartych – od białych karłów i gwiazd neutronowych po samotne czarne dziury – w całej Drodze Mlecznej.

Szczególnie interesujące są zwarte układy podwójne, w których dwa bardzo gęste obiekty – na przykład dwie gwiazdy neutronowe lub para gwiazda neutronowa–czarna dziura – krążą wokół siebie w małych odległościach. Interakcje w takich układach prowadzą do transferu masy, potężnych eksplozji i stopniowej utraty energii orbitalnej poprzez emisję fal grawitacyjnych. Kiedy ostatecznie się połączą, uwalniana jest ogromna ilość energii, którą rejestrują detektory takie jak LIGO i Virgo. Dane Romana o rozmieszczeniu i właściwościach tych układów podwójnych pomogą astronomom lepiej zrozumieć „ścieżki”, które prowadzą do spektakularnych połączeń gwiazd neutronowych i czarnych dziur.

Migoczące gwiazdy i kosmiczne miarki

Oprócz krótkotrwałych błysków mikrosoczewkowania, Roman będzie rejestrować także liczne inne rodzaje gwiazd zmiennych, które okresowo przybierają na sile lub słabną. Niektóre z nich wybuchają nagle, wyrzucając materię w otaczającą przestrzeń, podczas gdy u innych jasność zmienia się rytmicznie, ponieważ ich otoczki gwiazdowe okresowo się rozszerzają i kurczą. We wcześniejszych misjach wiele z tych zjawisk zaobserwowano z obserwatoriów naziemnych, ale gęste zapylone regiony płaszczyzny galaktycznej często pozostawały poza zasięgiem lub gwiazdy były tak stłoczone, że nie można było ich rozróżnić.

Zaletą Romana będzie połączenie ostrego obrazu i widma w podczerwieni. Teleskop będzie mógł wyraźnie rozdzielić poszczególne gwiazdy nawet w najgęstszych częściach Drogi Mlecznej, a promieniowanie podczerwone pozwoli mu przebić zasłony pyłu. W ten sposób astronomowie po raz pierwszy będą mogli systematycznie mapować gwiazdy zmienne w regionach, które do tej pory były prawie całkowicie niezbadane.

Szczególnie ważną grupą są gwiazdy pulsujące, których okres drgań jest bezpośrednio związany z ich rzeczywistą, wewnętrzną jasnością. Kiedy zmierzy się, jak szybko pulsują i porówna ich znaną jasność absolutną z tą, którą widzimy z Ziemi, możliwe jest precyzyjne obliczenie odległości. Takie gwiazdy służą jako „kosmiczne miarki” i są kluczowe dla kalibracji skali odległości w astronomii.

Roman znajdzie te „kosmiczne latarnie” znacznie dalej, niż to było dotychczas możliwe, zwłaszcza w głębszych, zapylonych częściach jądra galaktycznego i na dalekiej stronie dysku. Umożliwi to zmierzenie z dużą dokładnością kształtu i rozmiaru Drogi Mlecznej, a także grubości jej dysku, zakrzywienia ramion spiralnych i struktury centralnej poprzeczki – wydłużonego skupiska gwiazd przechodzącego przez jądro galaktyki.

Dane, które ukształtują astronomię na dziesięciolecia

Planowany przegląd płaszczyzny galaktycznej jest tylko jedną częścią programu naukowego teleskopu Nancy Grace Roman, ale jednocześnie tą, która najbardziej bezpośrednio wpłynie na nasze codzienne rozumienie Drogi Mlecznej. Ogromna ilość danych – od pozycji, prędkości i jasności miliardów gwiazd, przez szczegółowe zdjęcia setek tysięcy gwiezdnych kolabek, po katalogi zdarzeń mikrosoczewkowania i egzotycznych układów podwójnych – posłuży jako fundament dla niezliczonych późniejszych analiz.

Dane te będą łączone z mapami, które już dostarczają lub dopiero dostarczą inne teleskopy, od precyzyjnej astrometrii Gai po przeglądy w podczerwieni i optyczne z Ziemi. Razem z wynikami z dziedziny detekcji fal grawitacyjnych i przyszłych misji kosmicznych, przeglądy Romana pomogą zbudować najpełniejszy obraz dynamiki i ewolucji Drogi Mlecznej, jaki kiedykolwiek mieliśmy.

Dla astronomów na całym świecie, ale także dla miłośników astronomii, ogłoszenie szczegółowego planu Galactic Plane Survey oznacza, że nowy „wielki widok” na naszą galaktykę jest bardzo blisko. W miarę jak misja będzie zbliżać się do startu, a następnie do pierwszych wyników naukowych, właśnie ten przegląd stanie się jednym z kluczowych źródeł danych dla każdego poważniejszego badania Drogi Mlecznej – od powstawania gwiazd i planet po losy najpotężniejszych i najbardziej egzotycznych obiektów w naszym kosmicznym sąsiedztwie.

Więcej informacji o misji można znaleźć na oficjalnej stronie NASA teleskopu Nancy Grace Roman, która regularnie przynosi nowości o postępie przygotowań, testach technicznych i planowanych programach naukowych.