Kosmiczny teleskop NASA SPHEREx ukończył swoją pierwszą pełną mapę nieba w podczerwieni w aż 102 kolorach, otwierając tym samym nowy rozdział w kartowaniu wszechświata. W zaledwie pół roku pracy to stosunkowo kompaktowe, ale niezwykle wyrafinowane obserwatorium zdołało „ułożyć” panoramiczną mozaikę całego nieba – od najbliższych gwiazd w naszej galaktyce po setki milionów galaktyk rozproszonych w ciągu niemal 14 miliardów lat historii kosmosu. Jest to pierwsza taka trójwymiarowa „kolorowa” mapa wszechświata, przeznaczona nie tylko dla czołowych naukowców, ale także dla szerokiej publiczności, ponieważ dane są dostępne dla wszystkich.

SPHEREx – skrót od Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer – został wystrzelony w marcu 2025 roku i umieszczony na niskiej orbicie okołoziemskiej. Tam nieprzerwanie krąży wokół planety, zbierając promieniowanie podczerwone, które jest niewidoczne dla ludzkiego oka, ale zawiera kluczowe wskazówki dotyczące powstania wszechświata, ewolucji galaktyk oraz „materiału budulcowego” dla powstania planet i życia. Pierwsza mapa całego nieba (all-sky), ukończona w grudniu 2025 roku, to dopiero początek dwuletniej misji, podczas której teleskop zmapuje całe niebo jeszcze trzy razy, za każdym razem z coraz większą precyzją i czułością.

Mapa wszechświata w 102 kolorach podczerwieni

W przeciwieństwie do klasycznych zdjęć astronomicznych, które pokazują niebo w zaledwie kilku szerokich pasmach podczerwieni lub światła widzialnego, SPHEREx obserwuje każdą część nieba w 102 wąsko zdefiniowanych długościach fal podczerwonych. Każdy z tych „kanałów” niesie specyficzne informacje: niektóre są szczególnie wrażliwe na blask gorącego wodoru w gazie kosmicznym, inne najlepiej ukazują zimny pył międzygwiazdowy, a jeszcze inne podkreślają światło gwiazd i galaktyk. Po złożeniu wszystkich tych kolorów otrzymuje się niezwykle bogaty obraz – swoistą kosmiczną tęczę w trzech wymiarach.

Na pierwszej mozaice całego nieba wyraźnie widać regiony, w których dominuje gorący gaz, obszary przewagi pyłu oraz miejsca, w których widoczne jest światło gwiazd i galaktyk. Gorący wodór emituje charakterystyczne „niebieskie” długości fal podczerwonych, natomiast zimny pył wyróżnia się w „czerwieńszych” kolorach podczerwieni. Razem daje to mapę kosmiczną, która pozwala naukowcom jednocześnie śledzić, jak materia rozkłada się w największych skalach i jak w mgławicach wewnątrz naszej Drogi Mlecznej rodzą się nowe gwiazdy i planety.

Warto podkreślić, że SPHEREx nie tworzy tylko pięknego obrazu nieba, ale prawdziwą trójwymiarową mapę wszechświata. Każdy obserwowany obiekt – od odległej galaktyki po obłok pyłu w Drodze Mlecznej – „podpisuje się” w widmie różnym układem kolorów. Z tego podpisu można określić odległość wielu galaktyk, a tym samym ich pozycję w trójwymiarowym rozkładzie materii w całym widzialnym wszechświecie.

Jak teleskop SPHEREx skanuje całe niebo

SPHEREx okrąża Ziemię około 14 i pół raza dziennie, po orbicie prowadzącej od bieguna północnego do południowego. Przy każdym okrążeniu rejestruje jeden wąski pas nieba, przypominający wstęgę rozciągającą się wokół całego sklepienia niebieskiego. Każdego dnia powstaje około 3600 pojedynczych zdjęć, które następnie są cyfrowo łączone w większą mozaikę. W miarę jak Ziemia krąży wokół Słońca, zmienia się również pole widzenia teleskopu, dzięki czemu po około sześciu miesiącach SPHEREx „widzi” każdy punkt nieba.

Pierwsze systematyczne mapowanie nieba rozpoczęło się w maju 2025 roku. W ciągu kolejnych sześciu miesięcy, do końca grudnia, zebrano pełną serię danych, która posłużyła do stworzenia pierwszej kompletnej mapy nieba w podczerwieni w 102 kolorach. Misja została zaprojektowana tak, aby w ciągu dwóch lat wykonać cztery takie skanowania całego nieba. Dzięki łączeniu wielu map rośnie ogólna czułość – słabe obiekty, które przy pierwszym przejściu były tylko niejasno zaznaczone, po kilku „przejściach” stają się wyraźniejsze i mierzalne.

Aby stabilnie i precyzyjnie przesuwać pole widzenia po niebie, SPHEREx nie używa małych silników rakietowych, lecz systemu tzw. reaction wheels (kół reakcyjnych) – wewnętrznych kół zamachowych, które poprzez rotację zmieniają orientację sondy. Takie podejście redukuje wibracje i pozwala teleskopowi pozostać niezwykle stabilnym podczas fotografowania, co ma kluczowe znaczenie dla uzyskania ostrych obrazów podczerwonych, które później są łączone w jednolitą mozaikę. Łącznie podczas nominalnej misji wykonanych zostanie ponad 11 000 orbit i setki tysięcy pojedynczych ujęć.

Spektroskopia: zamiana kolorów w współrzędne i sygnatury chemiczne

Kluczową „supermocą” teleskopu SPHEREx jest spektroskopia, technika, dzięki której światło rozkładane jest na składowe długości fal. Na najprostszym poziomie jest to analogiczne do pryzmatu rozbijającego białe światło na tęczę, ale tutaj mamy do czynienia z o wiele drobniejszym i precyzyjniej skalibrowanym rozkładem promieniowania podczerwonego. Każda cząsteczka i każdy pierwiastek chemiczny pozostawia w widmie rozpoznawalny ślad – zestaw specyficznych linii i kolorów.

Aby to osiągnąć, SPHEREx wykorzystuje sześć detektorów, a przed każdym z nich znajduje się specjalnie zaprojektowany filtr z gradientem 17 różnych kolorów. Gdy teleskop rejestruje jedno pole, otrzymuje jednocześnie sześć obrazów, każdy w szeregu różnych długości fal podczerwonych. Razem tworzą one 102 oddzielne „kanały”, od najkrótszych do najdłuższych długości fal obsługiwanych przez instrument. Każda kompletna mapa nieba jest więc w rzeczywistości zbiorem 102 „podmap”, przy czym każdy kolor uwypukla inne struktury we wszechświecie.

Spektroskopia pozwala również na oszacowanie odległości wielu galaktyk. Ponieważ wszechświat się rozszerza, światło z odległych galaktyk „przesuwa się” w stronę dłuższych fal czerwonych – zjawisko znane jako przesunięcie ku czerwieni (redshift). Na podstawie tego, jak bardzo widmo jest przesunięte, naukowcy mogą obliczyć, jak daleko znajduje się galaktyka i jak stare jest światło, które do nas dociera. SPHEREx zmierzy w ten sposób odległość setek milionów galaktyk, zamieniając dwuwymiarową projekcję nieba w trójwymiarową mapę struktury kosmicznej.

Szczególna siła teleskopu SPHEREx tkwi w połączeniu szerokiego pola widzenia i dużej liczby kolorów. Klasyczne teleskopy kosmiczne, takie jak Hubble czy James Webb (JWST), mogą badać mniejsze obszary nieba z bardzo wysoką rozdzielczością przestrzenną i spektroskopową, ale na ograniczonej powierzchni. SPHEREx, przeciwnie, został zaprojektowany jako „kosmiczny kartograf” – obejmuje całe niebo, ale z umiarkowaną rozdzielczością przestrzenną i niezwykle bogatym widmem. Razem takie instrumenty tworzą potężny system: SPHEREx znajduje interesujące cele i wzorce statystyczne, a Webb, Euclid, Roman i inne teleskopy analizują szczegóły.

Inflacja: ślady najwcześniejszych chwil po Wielkim Wybuchu

Jednym z głównych celów naukowych misji jest zbadanie zagadkowego okresu kosmicznej inflacji. Według dzisiejszych modeli, wszechświat w pierwszym ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu przeszedł przez niewiarygodnie szybką ekspansję: w pierwszej bilionowej części bilionowej części bilionowej części sekundy przestrzeń rozszerzyła się o czynnik około „bilion do potęgi bilionowej”. Żaden inny znany proces w fizyce nie wiąże się z taką ilością energii i tak ekstremalną skalą.

Choć inflacja rozegrała się niewyobrażalnie szybko i dawno temu, jej ślady można dostrzec w dzisiejszym rozkładzie galaktyk w największych skalach wszechświata. Małe fluktuacje kwantowe w bardzo wczesnym wszechświecie zostały rozciągnięte przez inflację do rozmiarów kosmicznych; z czasem stały się one ziarnami, wokół których zaczęła gromadzić się materia, tworząc galaktyki, gromady galaktyk i ogromne kosmiczne „filamenty”. Sposób, w jaki galaktyki są dziś rozłożone w przestrzeni, niesie więc informacje o tym, jaka dokładnie była inflacja.

Dzięki milionom zmierzonych galaktyk i ich odległościom, SPHEREx umożliwi bardzo precyzyjne pomiary statystyczne tych układów. Porównując obserwacje z różnymi modelami teoretycznymi inflacji, naukowcy będą mogli wykluczyć niektóre scenariusze i zawęzić krąg możliwości. Celem nie jest tylko potwierdzenie, że inflacja miała miejsce, ale zrozumienie jej fizycznej natury: jakie pole spowodowało ekspansję, jak się zachowywało i co nam to mówi o fundamentalnych prawach fizyki.

Woda i związki organiczne w Drodze Mlecznej

Drugie wielkie zadanie naukowe SPHEREx dotyczy budulca życia. W zimnych obłokach molekularnych wewnątrz naszej galaktyki, z dala od lśniących gwiazd, znajdują się ogromne ilości lodu i związków organicznych osadzonych na drobnych ziarnach pyłu. Gdy z takich obłoków formują się nowe gwiazdy i układy planetarne, lód ten zostaje włączony do dysków protoplanetarnych, a później do komet i planet.

Uważa się, że znaczna część wody w ziemskich oceanach powstała właśnie w ten sposób – jako lód w obłoku międzygwiazdowym, z którego narodził się Układ Słoneczny. Badając podczerwone „sygnatury” wody, węglowodorów i innych cząsteczek w widmach, SPHEREx może zmapować, gdzie te składniki znajdują się w Drodze Mlecznej i w jakich ilościach. Szczególnie interesujące są cząsteczki takie jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), które zachowują się jak „dym” lub sadza w skali kosmicznej – w niektórych długościach fal lśnią, w innych całkowicie znikają.

Podczas misji SPHEREx wykona miliony pojedynczych pomiarów takich obłoków w całej galaktyce. Wynikiem będzie mapa pokazująca, gdzie w Drodze Mlecznej dominują zimne obłoki bogate w wodę i związki organiczne, a gdzie przeważają regiony silnego promieniowania, które rozbijają te cząsteczki. Taka mapa pomoże astrofizykom lepiej zrozumieć warunki, w jakich powstają układy planetarne podobne do naszego, i jak częste są scenariusze, w których planety otrzymują obfite zapasy wody już we wczesnej fazie formowania.

Oprócz naszej galaktyki, SPHEREx będzie również śledził całkowitą ilość światła emitowanego w historii wszechświata przez wszystkie galaktyki razem – tzw. kosmiczne tło podczerwone. To kolejny sposób na zrekonstruowanie historii formowania się gwiazd, powstawania pyłu i rozprzestrzeniania się złożonej chemii przez miliardy lat.

SPHEREx w towarzystwie innych teleskopów kosmicznych

SPHEREx nie jest jedynym teleskopem, który mapował całe niebo w podczerwieni – jego poprzednikiem był na przykład teleskop NASA WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer), który w latach 2010. również stworzył kompletną mapę nieba. Jednak WISE pracował w zaledwie czterech szerokich pasmach podczerwieni, podczas gdy SPHEREx obejmuje ponad sto wąskich długości fal. Wynikiem jest znacznie dokładniejsza informacja o „kolorze”, idealna do analizy spektroskopowej oraz precyzyjnego określania odległości i składu chemicznego.

Po drugiej stronie spektrum znajduje się Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), wyspecjalizowany w szczegółowych, głębokich obserwacjach małych obszarów nieba. Webb może badać atmosfery egzoplanet lub strukturę poszczególnych galaktyk z niesamowitą precyzją, ale nie może szybko zebrać danych dla całego nieba. SPHEREx wypełnia właśnie tę niszę: tworzy kontekst, w którym poszczególne głębokie obserwacje mogą być lepiej zrozumiane, ponieważ pokazuje, jak dany obiekt wpisuje się w szerszy obraz.

Obok Webba, SPHEREx będzie współpracować z takimi misjami jak europejski teleskop Euclid, wyspecjalizowany w badaniu ciemnej materii i ciemnej energii, oraz przyszły teleskop NASA Nancy Grace Roman. SPHEREx może na przykład pomóc w wyborze celów do bardziej szczegółowych zdjęć lub dostarczyć dodatkowych danych o galaktykach, które już znajdują się w katalogach tych misji. Tak powstaje sieć komplementarnych obserwatoriów, w której każdy instrument wykonuje to, do czego najlepiej się nadaje.

Mała misja z dużym międzynarodowym zespołem

Choć w hierarchii NASA SPHEREx zaliczany jest do tzw. średnich (MIDEX) misji astrofizycznych, ilość nauki, jaką wygeneruje, jest proporcjonalna do znacznie większych i droższych projektów. Teleskop i sonda kosmiczna zostały zbudowane przez firmę BAE Systems, natomiast montaż instrumentu i koordynację systemu nadzorował Kalifornijski Instytut Techniczny (Caltech), instytucja, która zarządza również należącym do NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Zespół naukowy skupia badaczy z dziesięciu instytucji w Stanach Zjednoczonych oraz grupy partnerskie w Korei Południowej i Tajwanie. Taka międzynarodowa współpraca stała się standardem we współczesnej astrofizyce: budowa teleskopu kosmicznego wymaga doświadczenia przemysłowego, opracowania zaawansowanych detektorów i złożonych narzędzi programistycznych, natomiast analiza danych angażuje całe pokolenia doktorantów i postdoktorantów, którzy na SPHEREx będą opierać swoje prace i kariery.

Dla kierownictwa Dywizji Astrofizyki NASA SPHEREx jest przykładem na to, jak odważne pomysły można realizować w ramach misji średniej wielkości. Przy starannie zaprojektowanym instrumencie i jasno określonych celach naukowych możliwe jest uzyskanie za stosunkowo ograniczony budżet danych istotnych dla fundamentalnych pytań kosmologii i astrofizyki – od inflacji po rozkład wody w galaktyce.

Otwarta nauka: dane dostępne dla każdego

Jedną z najważniejszych cech misji jest jej oddanie idei otwartej nauki. SPHEREx od początku operacji naukowych regularnie przesyła dane do archiwum obserwacji podczerwonych NASA, zarządzanego przez centrum IPAC na Caltechu. Gdy zespół naukowy usunie artefakty instrumentalne, skalibruje obrazy i sprawdzi jakość, dane są publikowane jako zestawy publiczne. Pierwsza kompletna mapa nieba w podczerwieni jest już dostępna zarówno dla zawodowych astronomów, jak i zaawansowanych amatorów czy ciekawskich użytkowników.

W trakcie dwuletniej misji nominalnej planuje się, że SPHEREx czterokrotnie przeskanuje całe niebo. Po około roku pracy NASA ogłosiła publikację kompletnej mapy we wszystkich 102 kolorach podczerwieni jako katalogu referencyjnego. Każdy kolejny przelot dodatkowo poprawi czułość i umożliwi detekcję coraz słabszych źródeł. W miarę zapełniania się archiwum będzie rósł potencjał dla nieoczekiwanych odkryć – od rzadkich typów galaktyk po niezwykłe obłoki pyłu i nowe ślady powstawania układów planetarnych.

Dla astronomów planujących obserwacje innymi teleskopami SPHEREx oferuje cenny „podgląd” nieba. Badacze mogą przeszukiwać archiwum pod kątem interesujących ich obszarów, sprawdzać, czy występują tam nietypowe sygnatury spektroskopowe lub wysokie stężenie pyłu i gazu, i odpowiednio dostosować swoje szczegółowe obserwacje. Jednocześnie możliwy jest również scenariusz odwrotny: obiekty przypadkowo odkryte przez inne misje mogą być analizowane na mapach SPHEREx w szerszym kontekście i powiązane z otoczeniem, które je otacza.

W miarę postępu misji ilość danych będzie rosła wykładniczo, a pierwsza mapa nieba SPHEREx posłuży jako punkt odniesienia dla badań w kolejnej dekadzie. Przypomina ona, że nawet stosunkowo kompaktowy teleskop umieszczony na niskiej orbicie wokół Ziemi może otworzyć okno na najwcześniejsze chwile wszechświata i jednocześnie śledzić drogę wody oraz cząsteczek organicznych, które kiedyś, gdzieś, mogą trafić do oceanów jakiegoś innego świata.