Nadchodzący Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman NASA, którego start planowany jest najpóźniej na maj 2027 roku, a zespoły pilnie pracują nad możliwym startem już jesienią 2026 roku, stanowi nową erę w badaniach astronomicznych. To obserwatorium, wyposażone w zaawansowane instrumenty, jest pomyślane jako swego rodzaju maszyna do odkryć, głównie dzięki swojemu niezwykle szerokiemu polu widzenia, które wygeneruje bezprecedensową ilość danych naukowych. Jego kluczowy instrument, Wide Field Instrument (WFI), działający w bliskiej podczerwieni, jest w stanie sfotografować obszar nieba aż 200 razy większy niż ten, który może zarejestrować kamera na podczerwień legendarnego Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, i to z taką samą ostrością i czułością obrazu. W ramach swojej pięcioletniej misji podstawowej, teleskop Roman poświęci około 75% swojego czasu obserwacyjnego na przeprowadzenie trzech fundamentalnych przeglądów społecznościowych, które zostały zdefiniowane w ramach szerokiej współpracy wewnątrz społeczności naukowej. Jeden z tych kluczowych przeglądów będzie poświęcony systematycznemu przeszukiwaniu nieba w poszukiwaniu kosmicznych zdarzeń, które pojawiają się, błyskają i zmieniają w czasie, takich jak eksplozje gwiazd czy zderzenia gwiazd neutronowych.

W poszukiwaniu przejściowych zjawisk kosmicznych

Program o nazwie High-Latitude Time-Domain Survey (Przegląd w domenie czasu na wysokich szerokościach geograficznych) skieruje swój wzrok poza płaszczyznę naszej galaktyki Drogi Mlecznej, czyli na obszary o wysokich szerokościach galaktycznych. Celem jest badanie obiektów, których jasność zmienia się w czasie. Głównym motorem naukowym tego ambitnego przeglądu jest detekcja dziesiątek tysięcy specyficznych typów eksplozji gwiazd, znanych jako supernowe typu Ia. Supernowe te mają wyjątkowe znaczenie we współczesnej kosmologii, ponieważ służą jako "świece standardowe" – narzędzia, za pomocą których astronomowie mogą precyzyjnie mierzyć odległości we wszechświecie i mapować historię jego ekspansji. Analizując te kosmiczne kataklizmy, naukowcy dążą do odkrycia niektórych z największych tajemnic wszechświata, w tym natury zagadkowej ciemnej energii.

Masao Sako z University of Pennsylvania, który współprzewodniczył komitetowi odpowiedzialnemu za zdefiniowanie tego przeglądu, podkreśla: "Roman został skonstruowany, aby znaleźć dziesiątki tysięcy supernowych typu Ia na odległościach większych niż kiedykolwiek wcześniej. Używając ich, możemy zmierzyć historię ekspansji wszechświata, która zależy od ilości ciemnej materii i ciemnej energii. Ostatecznie mamy nadzieję dowiedzieć się więcej o naturze samej ciemnej energii". To właśnie dane z Romana dostarczą kluczowych informacji na temat tego, czy ciemna energia jest stała, czy też jej siła zmieniała się w historii kosmicznej.

Supernowe jako klucz do zrozumienia ciemnej energii

Supernowe typu Ia są niezwykle użyteczne jako sondy kosmologiczne, ponieważ astronomowie z dużą pewnością znają ich wewnętrzną jasność w momencie szczytu eksplozji. Zawsze wybuchają z niemal identyczną maksymalną jasnością. Porównując tę znaną wewnętrzną jasność z ich obserwowaną, pozorną jasnością z Ziemi, naukowcy mogą obliczyć, jak daleko się znajdują. Im ciemniejsza wydaje się supernowa, tym jest od nas dalej. Jednocześnie teleskop Roman będzie w stanie zmierzyć prędkość, z jaką te supernowe pozornie oddalają się od nas, analizując przesunięcie ku czerwieni ich światła. Śledząc prędkość oddalania się na różnych odległościach, naukowcy będą mogli precyzyjnie zrekonstruować historię ekspansji kosmicznej w różnych epokach wszechświata. Jest to kluczowe dla zrozumienia roli ciemnej energii, siły napędzającej przyspieszoną ekspansję wszechświata.

Tylko teleskop Roman będzie miał zdolność znalezienia najciemniejszych i najdalszych supernowych, które oświetlały wczesne epoki kosmiczne. Uzupełni w ten sposób pracę teleskopów naziemnych, takich jak Obserwatorium Very C. Rubin w Chile, które są ograniczone przez absorpcję światła w atmosferze ziemskiej i inne efekty. Największą siłą obserwatorium Rubin będzie znajdowanie supernowych, które wydarzyły się w ciągu ostatnich 5 miliardów lat. Z drugiej strony, Roman rozszerzy tę kolekcję na znacznie wcześniejsze okresy w historii wszechświata, sięgając aż 11 miliardów lat w przeszłość, czyli do czasów, gdy wszechświat miał zaledwie około 3 miliardy lat. To ponad dwukrotnie wydłuży zmierzoną oś czasu historii ekspansji wszechświata, zapewniając bezprecedensowo szczegółowy wgląd. Niedawno badanie Dark Energy Survey ujawniło wskazówki, że ciemna energia może słabnąć z czasem, zamiast stanowić stałą siłę ekspansji. Badania Romana będą miały kluczowe znaczenie dla przetestowania tej intrygującej możliwości.

Strategia obserwacji i polowanie na rzadkie zdarzenia

Aby wykryć obiekty przejściowe, których jasność się zmienia, Roman musi ponownie odwiedzać te same obszary nieba w regularnych odstępach czasu. High-Latitude Time-Domain Survey poświęci na te obserwacje łącznie 180 dni czasu obserwacyjnego, rozłożonych na okres pięciu lat. Większość obserwacji odbędzie się w dwuletnim okresie w środku misji, kiedy te same pola będą ponownie obrazowane co pięć dni. Dodatkowe 15 dni obserwacji zostanie przeprowadzonych na początku misji w celu ustalenia podstawowego, referencyjnego obrazu nieba.

"Aby znaleźć rzeczy, które się zmieniają, używamy techniki zwanej odejmowaniem obrazów", wyjaśnia Sako. "Robisz nowe zdjęcie i odejmujesz od niego zdjęcie tej samej części nieba zrobione znacznie wcześniej – tak wcześnie, jak to możliwe w misji. W ten sposób usuwasz wszystko, co jest statyczne, a zostają ci tylko obiekty, które są nowe lub zmieniły jasność".

Przegląd będzie również obejmował rozszerzony komponent, który będzie ponownie odwiedzał niektóre z pól obserwacyjnych mniej więcej co 120 dni, aby szukać obiektów zmieniających się w dłuższych skalach czasowych. Pomoże to w wykrywaniu najdalszych zjawisk przejściowych, które istniały nawet 13 miliardów lat temu, czyli zaledwie miliard lat po Wielkim Wybuchu. Obiekty te zmieniają się wolniej z powodu dylatacji czasu spowodowanej ekspansją wszechświata.

"Naprawdę korzystamy z obserwacji przez cały pięcioletni okres trwania misji", mówi Brad Cenko z Goddard Space Flight Center NASA, drugi współprzewodniczący komitetu badawczego. "Pozwala to uchwycić te bardzo rzadkie, bardzo odległe zdarzenia, do których inaczej trudno dotrzeć, ale które mówią nam wiele o warunkach we wczesnym wszechświecie".

Poszukiwanie najbardziej egzotycznych zjawisk we wszechświecie

Ten rozszerzony komponent przeglądu będzie zbierał dane o niektórych z najbardziej energetycznych i najdłużej trwających zjawisk przejściowych. Wśród nich są zdarzenia rozerwania pływowego (Tidal Disruption Events), spektakularne zjawiska, w których supermasywna czarna dziura dosłownie rozrywa swoją grawitacją gwiazdę, która zbytnio się do niej zbliży. Będzie się również poszukiwać przewidywanych, ale dotąd niezaobserwowanych zdarzeń, znanych jako supernowe z niestabilnością par (pair-instability supernovae). Są to teoretycznie przewidziane eksplozje niezwykle masywnych gwiazd, które są tak potężne, że nie pozostawiają po sobie żadnej pozostałości, takiej jak gwiazda neutronowa czy czarna dziura, lecz całkowicie rozpraszają się w kosmosie. Odkrycie takiego zdarzenia stanowiłoby ogromny krok naprzód w zrozumieniu ewolucji najmasywniejszych gwiazd.

Szczegóły przeglądu i globalna współpraca

High-Latitude Time-Domain Survey zostanie podzielony na dwie warstwy obrazowania: szeroką warstwę, która obejmie większy obszar nieba, i głęboką warstwę, która skupi się na mniejszym obszarze, ale z dłuższym czasem ekspozycji, aby wykryć ciemniejsze i bardziej odległe obiekty. Szeroka warstwa, która obejmie nieco ponad 18 stopni kwadratowych (obszar na niebie wielkości 90 pełni Księżyca), będzie celować w obiekty z ostatnich 7 miliardów lat, czyli z drugiej połowy historii wszechświata. Głęboka warstwa, obejmująca obszar 6,5 stopnia kwadratowego, dotrze do ciemniejszych obiektów, które istniały nawet 10 miliardów lat temu. Obserwacje będą prowadzone na dwóch obszarach, jednym na niebie północnym i jednym na południowym, aby zapewnić kompleksowe pokrycie.

Do tego przeglądu zostanie dołączony również komponent spektroskopowy, który będzie ograniczony do nieba południowego. "Mamy partnerstwo z naziemnym Obserwatorium Subaru, które będzie przeprowadzać obserwacje spektroskopowe na niebie północnym, podczas gdy Roman będzie zajmował się spektroskopią na niebie południowym. Za pomocą spektroskopii możemy z pewnością ustalić, z jakim typem supernowej mamy do czynienia", wyjaśnia Cenko. Spektroskopia rozkłada światło obiektu na jego składowe kolory, ujawniając skład chemiczny i inne cechy fizyczne, co jest kluczowe dla potwierdzenia, że jest to supernowa typu Ia. Wraz z dwoma innymi fundamentalnymi przeglądami teleskopu Roman, High-Latitude Wide-Area Survey i Galactic Bulge Time-Domain Survey, ten przegląd pomoże zmapować wszechświat z klarownością i głębią nigdy wcześniej nieosiągniętą.