Teleskop NASA Nancy Grace Roman przygotowuje największą mapę dalekiego wszechświata: rdzeń misji celuje w ciemną materię i ciemną energię
Kosmiczny Teleskop NASA Nancy Grace Roman, nowe duże obserwatorium podczerwone, znajduje się w końcowej fazie przygotowań po tym, jak obserwatorium jako całość zostało ukończone i weszło w okres integracji i testów. Według NASA misja jest oficjalnie planowana do wystrzelenia nie później niż w maju 2027 r., z możliwością gotowości już wcześniej, jesienią 2026 r., jeśli końcowe testy i logistyka przebiegną zgodnie z planem. Roman, gdy wystartuje, ma otworzyć jedną z najambitniejszych kampanii mapowania wszechświata w historii: przegląd, który obejmie setki milionów, a ostatecznie ponad miliard galaktyk, aby dokładniej zrozumieć, co zarządza strukturą i ekspansją wszechświata.
W centrum tych wysiłków znajduje się
High-Latitude Wide-Area Survey, jedna z trzech podstawowych kampanii obserwacyjnych głównej misji Romana. Jest to szerokopasmowy przegląd „wysokich szerokości galaktycznych”, co oznacza, że teleskop będzie zaglądał daleko poza zakurzony dysk Drogi Mlecznej, aby mieć jak najczystszy widok na odległy kosmos i zmniejszyć wpływ pyłu międzygwiezdnego na pomiary. Zgodnie z opisami programów NASA, przegląd obejmie ponad 5000 stopni kwadratowych nieba, czyli około 12 procent całej sfery niebieskiej, w nieco mniej niż półtora roku obserwacji.
Dlaczego Roman jest ważny: „Jakość Hubble’a” na dużym obszarze nieba
Dotychczasowe obserwatoria kosmiczne, takie jak Hubble i James Webb, umożliwiły uzyskanie wyjątkowo szczegółowych zdjęć i głębokich wglądów we wczesne fazy wszechświata, ale przy stosunkowo wąskim polu widzenia w porównaniu z ogromną powierzchnią nieba, którą astronomowie chcą systematycznie kartować. Kluczową zaletą Romana jest połączenie szerokiego pola widzenia i stabilności obserwacji z kosmosu, co pozwala na uzyskanie spójnej jakości obrazów i pomiarów na dużej powierzchni nieba. W praktyce oznacza to, że w jednym miejscu połączona zostanie „szerokość” przeglądu z precyzją wymaganą w nowoczesnych testach kosmologicznych.
Właśnie tę precyzję misja Romana kieruje na dwa największe „niewidzialne” składniki kosmosu.
Ciemna materia nie emituje ani nie pochłania światła, więc można ją śledzić jedynie poprzez efekty grawitacyjne wywierane na widzialną materię.
Ciemna energia to z kolei nazwa zjawiska, które we współczesnej kosmologii wiąże się z przyspieszoną ekspansją wszechświata. Zgodnie z dokumentami programowymi NASA, szerokopasmowy przegląd Romana został zaprojektowany tak, aby jednocześnie mierzyć, jak wszechświat rozszerza się w czasie i jak struktury kosmiczne – galaktyki, gromady i sieci – rozwijają się w ramach tej ekspansji.
Mapa wszechświata w 3D: obraz i widmo w tej samej kampanii
High-Latitude Wide-Area Survey nie jest pomyślany jako klasyczne fotografowanie nieba, lecz jako kombinacja dwóch podejść. Pierwszym jest głębokie obrazowanie w wielu filtrach, które daje precyzyjne kształty i kolory galaktyk. Drugim jest spektroskopia, czyli „rozszczepianie” światła na poszczególne długości fal, aby w widmie rozpoznać wzorce ujawniające skład chemiczny, prędkości i – co kluczowe dla kosmologii – przesunięcie ku czerwieni. Zgodnie z opisami misji NASA, spektroskopowa część przeglądu Romana powinna zebrać widma dla około 20 milionów galaktyk.
Przesunięcie ku czerwieni pozwala oszacować, jak szybko galaktyka się oddala i jaka jest jej odległość, ponieważ długości fal światła „rozciągają się” wraz z rozszerzaniem się przestrzeni. Na tej podstawie astronomowie budują trójwymiarowe mapy rozmieszczenia galaktyk w czasie, praktycznie zamieniając niebo w mapę historii kosmicznej. Według danych o celach przeglądu, Roman powinien zmapować galaktyki w obszarze przeglądu do odległości około 11–11,5 miliarda lat świetlnych, co obejmuje dużą część historii wszechświata po wczesnych epokach.
„Ważenie cieni”: słabe soczewkowanie grawitacyjne jako ślad ciemnej materii
Jednym z najważniejszych narzędzi przeglądu będzie pomiar
słabego soczewkowania grawitacyjnego. W ogólnej teorii względności każda masa zakrzywia czasoprzestrzeń, a w dużych skalach może to zniekształcać obrazy odległych galaktyk. W przypadku silnego soczewkowania efekt jest niekiedy oczywisty – łuki, pierścienie lub wielokrotne obrazy tego samego źródła – jednak dla kosmologii szczególnie cenne jest słabe soczewkowanie, gdzie zniekształcenia są drobne i niewidoczne „na pierwszy rzut oka”. Taki sygnał staje się mierzalny dopiero wtedy, gdy statystycznie przeanalizuje się kształty ogromnej liczby galaktyk, szukając wspólnych, bardzo małych zmian w orientacji i eliptyczności.
Według szacunków podawanych przez NASA w kontekście szerokopasmowego przeglądu Romana, teleskop może zarejestrować ponad miliard galaktyk, a około 600 milionów z nich będzie miało wystarczająco wysokiej jakości pomiary kształtu, aby mogły zostać wykorzystane do analizy słabego soczewkowania. Z takich danych powstaje mapa rozkładu masy – w tym tej niewidzialnej – w różnych okresach historii kosmicznej. Widząc, jak tworzą się i rosną „grudki” masy, uzyskuje się test zarówno dla ciemnej materii, jak i dla zachowania grawitacji w największych skalach.
Ważne jest również to, że wysokie standardy przetwarzania danych, niezbędne do wyodrębnienia słabego sygnału z instrumentalnych błędów systematycznych, mogą podnieść całą społeczność. Według NASA, właśnie oczekiwanie na bardzo jednorodne, wysokiej jakości dane na dużej powierzchni nieba otwiera przestrzeń nie tylko dla precyzyjnych pomiarów, ale także dla nieoczekiwanych odkryć, od rzadkich obiektów po nowe typy zjawisk, które łatwo giną w mniejszych próbkach.
„Kosmiczna linijka”: barionowe oscylacje akustyczne i historia ekspansji
Drugą wielką osią programu Romana w tym przeglądzie jest pomiar
barionowych oscylacji akustycznych – „zamrożonych” śladów fal dźwiękowych z bardzo wczesnego wszechświata. Zgodnie z modelem kosmologicznym opisywanym przez NASA w kontekście misji, w pierwszych setkach tysięcy lat po Wielkim Wybuchu wszechświat był gorącą plazmą, w której materia i promieniowanie były silnie powiązane. Drobne nieregularności gęstości tworzyły przyciąganie grawitacyjne, ale ciśnienie promieniowania i wysoka temperatura powodowały odpychanie, co wywoływało fale ciśnienia – swego rodzaju „dźwięk” wczesnego wszechświata. Gdy wszechświat wystarczająco ostygł, fale te przestały podróżować i pozostawiły wzór w rozmieszczeniu materii.
Dziś ten wzór objawia się jako nieznacznie zwiększone prawdopodobieństwo, że galaktyki znajdują się w określonych odległościach od siebie. Odległości te działają jak linijka: jeśli znany jest „standardowy” rozmiar wzoru, mierząc, jak jest on widoczny w różnych epokach, można wyciągnąć wnioski o tym, jak rozszerzała się przestrzeń. W materiałach NASA dotyczących Romana podaje się, że te pierścienie w dzisiejszym wszechświecie są rzędu około 500 milionów lat świetlnych. Połączenie przez Romana dużej próby galaktyk i spektroskopowych pomiarów przesunięcia ku czerwieni powinno poprawić precyzję takich pomiarów, a tym samym zawęzić przestrzeń dla różnych teorii ciemnej energii i grawitacji.
Czy ciemna energia jest „zmienna”? Roman jako test najczulszych wskazówek
W ciągu ostatnich kilku lat seria pomiarów z różnych eksperymentów i teleskopów wywołała dyskusje na temat tego, czy ciemna energia jest stała w czasie, czy też jej „siła” mogła ewoluować. NASA w swoich opisach programowych misji Roman podkreśla, że właśnie połączenie szerokiego obrazowania i pomiarów przesunięcia ku czerwieni (redshift) umożliwi wysokoprecyzyjne testy, które mogłyby potwierdzić lub odrzucić takie wskazówki. W tej logice Roman został pomyślany jako instrument, który nie będzie oferował tylko kolejnej liczby dotyczącej prędkości ekspansji, ale jednocześnie będzie sprawdzał spójność dwóch kluczowych „śladów”: ekspansji wszechświata i wzrostu struktur.
W praktyce, jeśli ekspansja przyspiesza w jeden sposób, a struktury rosną w inny, może to wskazywać na potrzebę korekty modelu – albo poprzez dynamiczną ciemną energię, albo poprzez alternatywne opisy grawitacji w największych skalach. NASA w kontekście celów Romana podaje, że misja mogłaby doprowadzić do pomiaru efektów ciemnej energii z odczuwalnie większą precyzją w porównaniu z istniejącymi podejściami, co pozwoliłoby na wyraźniejsze rozróżnienie wiodących scenariuszy teoretycznych.
Co jeszcze uzyskuje się „przy okazji”: od odległych galaktyk po obiekty Układu Słonecznego
Mimo że High-Latitude Wide-Area Survey został zaprojektowany z kosmologią w centrum uwagi, jego szerokość i głębokość oznaczają, że w tych samych danych znajdzie się również ogromna ilość informacji przydatnych dla inne dziedziny astronomii. Według NASA sposób, w jaki Roman będzie przeszukiwał niebo, może otworzyć przestrzeń dla odkryć w zakresie od małych, skalistych ciał w zewnętrznych częściach Układu Słonecznego po zdarzenia wybuchowe i fuzje galaktyk oraz czarne dziury w dalekiej przeszłości wszechświata. Szczególnie ważny jest fakt, że jednorodny zestaw danych, powstały w stosunkowo krótkim czasie dla tak dużej powierzchni nieba, umożliwi systematyczne porównania i poszukiwanie rzadkich obiektów.
Organizacja misji i partnerzy przemysłowi
Teleskopem Romana kieruje NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt (Maryland), przy udziale Jet Propulsion Laboratory w Kalifornii oraz instytucji takich jak Caltech/IPAC i Space Telescope Science Institute, które w opisach misji NASA pełnią ważne role w infrastrukturze naukowej i pracy z danymi. W przemysłowej części programu NASA wymienia kilku kluczowych partnerów, wśród których są BAE Systems, L3Harris Technologies i Teledyne Scientific & Imaging – firmy powiązane z rozwojem i integracją kluczowych systemów obserwatorium i instrumentów.
Dla społeczności naukowej być może równie ważne jak sprzęt będą zasady dostępu i dystrybucji danych. Romanowe „Core Community Surveys”, wśród których jest High-Latitude Wide-Area Survey, zostały ukształtowane w drodze wspólnego procesu i powinny generować zestawy danych, z których korzystać będzie szerokie grono badaczy. NASA i instytucje partnerskie zapowiadają, że takie zestawy staną się fundamentem także dla projektów, które dziś nie są jeszcze nawet pomyślane, co jest typowe dla misji tworzących standardowe referencje w pomiarach wszechświata.
Źródła:- NASA – ogłoszenie o zakończeniu montażu obserwatorium i ramowym planie wystrzelenia ( link )
- Science@NASA – podsumowanie i infografika programu High-Latitude Wide-Area Survey, powierzchnia przeglądu i struktura obserwacji ( link )
- Roman Space Telescope (NASA/GSFC) – oficjalna strona przeglądu i cele naukowe ( link )
- Roman Community Defined Surveys (STScI) – opis techniczny High-Latitude Wide-Area Survey i metody (słabe soczewkowanie, BAO, RSD) ( link )
- NASA – opis organizacji misji i partnerów przemysłowych ( link )
Czas utworzenia: 4 godzin temu