NASA-in nadolazeći svemirski teleskop Nancy Grace Roman, čije se lansiranje planira najkasnije do svibnja 2027. godine, a timovi marljivo rade na mogućem lansiranju već u jesen 2026., predstavlja novu eru u astronomskim istraživanjima. Ovaj opservatorij, opremljen naprednim instrumentima, zamišljen je kao svojevrsni stroj za otkrića, prvenstveno zahvaljujući svom iznimno širokom vidnom polju koje će generirati nezapamćenu količinu znanstvenih podataka. Njegov ključni instrument, Wide Field Instrument (WFI), koji radi u bliskom infracrvenom spektru, sposoban je snimiti područje neba koje je čak 200 puta veće od onoga što može zabilježiti infracrvena kamera na legendarnom svemirskom teleskopu Hubble, i to uz jednaku oštrinu i osjetljivost slike. U sklopu svoje petogodišnje primarne misije, teleskop Roman će otprilike 75% svog promatračkog vremena posvetiti provedbi tri temeljna istraživanja zajednice, koja su definirana kroz opsežnu suradnju unutar znanstvene zajednice. Jedno od tih ključnih istraživanja bit će posvećeno sustavnom pretraživanju neba u potrazi za kozmičkim događajima koji se pojavljuju, bljeskaju i mijenjaju tijekom vremena, poput eksplozija zvijezda ili sudara neutronskih zvijezda.

U potrazi za prolaznim kozmičkim fenomenima

Program nazvan High-Latitude Time-Domain Survey (Pregled vremenske domene na visokim geografskim širinama) usmjerit će svoj pogled izvan ravnine naše galaksije Mliječni put, odnosno na područja visokih galaktičkih širina. Cilj je proučavanje objekata čija se svjetlina mijenja tijekom vremena. Glavni znanstveni pokretač ovog ambicioznog pregleda jest detekcija desetak tisuća specifičnih vrsta eksplozija zvijezda poznatih kao supernove tipa Ia. Ove supernove imaju iznimnu važnost u modernoj kozmologiji jer služe kao "standardne svijeće" – alati pomoću kojih astronomi mogu precizno mjeriti udaljenosti u svemiru i mapirati povijest njegovog širenja. Analizom ovih kozmičkih kataklizmi, znanstvenici nastoje razotkriti neke od najvećih misterija svemira, uključujući prirodu zagonetne tamne energije.

Masao Sako sa Sveučilišta u Pennsylvaniji, koji je bio supredsjedatelj odbora zaduženog za definiranje ovog pregleda, ističe: "Roman je konstruiran da pronađe desetke tisuća supernova tipa Ia na udaljenostima većim nego ikad prije. Koristeći ih, možemo izmjeriti povijest širenja svemira, koja ovisi o količini tamne tvari i tamne energije. U konačnici, nadamo se da ćemo saznati više o prirodi same tamne energije." Upravo će podaci s Romana pružiti ključne uvide u to je li tamna energija konstanta ili se njezina snaga mijenjala kroz kozmičku povijest.

Supernove kao ključ za razumijevanje tamne energije

Supernove tipa Ia izuzetno su korisne kao kozmološke sonde jer astronomi s velikom sigurnošću poznaju njihov intrinzični sjaj u trenutku vrhunca eksplozije. One uvijek eksplodiraju s gotovo identičnom maksimalnom svjetlinom. Uspoređujući tu poznatu intrinzičnu svjetlinu s njihovim promatranim, prividnim sjajem sa Zemlje, znanstvenici mogu izračunati koliko su udaljene. Što supernova izgleda tamnije, to je dalje od nas. Istovremeno, teleskop Roman će moći izmjeriti i brzinu kojom se te supernove prividno udaljavaju od nas, analizirajući crveni pomak njihove svjetlosti. Praćenjem brzine udaljavanja na različitim udaljenostima, znanstvenici će moći precizno rekonstruirati povijest kozmičkog širenja kroz različite epohe svemira. Ovo je ključno za razumijevanje uloge tamne energije, sile koja pokreće ubrzano širenje svemira.

Samo će teleskop Roman imati sposobnost pronaći najtamnije i najudaljenije supernove koje su osvjetljavale rane kozmičke epohe. Time će nadopuniti rad zemaljskih teleskopa, poput Opservatorija Vere C. Rubin u Čileu, koji su ograničeni apsorpcijom svjetlosti u Zemljinoj atmosferi i drugim efektima. Najveća snaga opservatorija Rubin bit će u pronalaženju supernova koje su se dogodile unutar posljednjih 5 milijardi godina. S druge strane, Roman će proširiti tu zbirku na mnogo ranija razdoblja u povijesti svemira, dosežući čak do 11 milijardi godina u prošlost, odnosno u vrijeme kada je svemir bio star samo oko 3 milijarde godina. To će više nego udvostručiti izmjerenu vremensku liniju povijesti širenja svemira, pružajući neviđeno detaljan uvid. Nedavno je istraživanje Dark Energy Survey otkrilo naznake da bi tamna energija mogla slabiti s vremenom, umjesto da predstavlja konstantnu silu širenja. Romanova istraživanja bit će od presudne važnosti za testiranje ove intrigantne mogućnosti.

Strategija promatranja i lov na rijetke događaje

Kako bi se detektirali prolazni objekti, čija se svjetlina mijenja, Roman mora ponovno posjećivati ista područja neba u pravilnim intervalima. High-Latitude Time-Domain Survey će za ta promatranja posvetiti ukupno 180 dana promatračkog vremena, raspoređenih tijekom petogodišnjeg razdoblja. Većina promatranja odvijat će se tijekom dvogodišnjeg razdoblja u sredini misije, kada će se ista polja ponovno snimati svakih pet dana. Dodatnih 15 dana promatranja bit će provedeno na početku misije kako bi se uspostavila temeljna, referentna slika neba.

"Da bismo pronašli stvari koje se mijenjaju, koristimo tehniku zvanu oduzimanje slika," objašnjava Sako. "Snimite novu sliku i od nje oduzmete sliku istog dijela neba snimljenu mnogo ranije – što je moguće ranije u misiji. Na taj način uklanjate sve što je statično, a ostaju vam samo objekti koji su novi ili su promijenili sjaj."

Istraživanje će također uključivati i proširenu komponentu koja će ponovno posjećivati neka od promatračkih polja otprilike svakih 120 dana kako bi se tražili objekti koji se mijenjaju na dužim vremenskim skalama. To će pomoći u detekciji najudaljenijih prolaznih pojava koje su postojale čak i prije 13 milijardi godina, odnosno samo milijardu godina nakon Velikog praska. Ti objekti variraju sporije zbog vremenske dilatacije uzrokovane širenjem svemira.

"Zaista imamo koristi od promatranja tijekom cijelog petogodišnjeg trajanja misije", kaže Brad Cenko iz NASA-inog Goddard Space Flight Centra, drugi supredsjedatelj odbora za istraživanje. "To vam omogućuje da uhvatite ove vrlo rijetke, vrlo daleke događaje do kojih je inače teško doći, ali koji nam govore mnogo o uvjetima u ranom svemiru."

Potraga za najegzotičnijim fenomenima svemira

Ova proširena komponenta istraživanja prikupljat će podatke o nekim od najenergetskijih i najdugotrajnijih prolaznih fenomena. Među njima su događaji plimnog poremećaja (Tidal Disruption Events), spektakularni fenomeni u kojima supermasivna crna rupa svojom gravitacijom doslovno rastrga zvijezdu koja joj se previše približi. Također će se tražiti i predviđeni, ali dosad neviđeni događaji poznati kao supernove nestabilnosti para (pair-instability supernovae). To su teorijski predviđene eksplozije iznimno masivnih zvijezda koje su toliko snažne da ne ostavljaju za sobom nikakav ostatak, poput neutronske zvijezde ili crne rupe, već se potpuno rasprše u svemir. Otkriće takvog događaja predstavljalo bi ogroman korak naprijed u razumijevanju evolucije najmasivnijih zvijezda.

Detalji istraživanja i globalna suradnja

High-Latitude Time-Domain Survey bit će podijeljen na dva sloja snimanja: široki sloj koji će pokriti veće područje neba i duboki sloj koji će se usredotočiti na manje područje, ali s dužim vremenom ekspozicije kako bi se detektirali tamniji i udaljeniji objekti. Široki sloj, koji će obuhvatiti nešto više od 18 kvadratnih stupnjeva (područje na nebu veliko kao 90 punih Mjeseca), ciljat će objekte unutar posljednjih 7 milijardi godina, odnosno u drugoj polovici povijesti svemira. Duboki sloj, koji će pokrivati područje od 6,5 kvadratnih stupnjeva, dosezat će tamnije objekte koji su postojali prije čak 10 milijardi godina. Promatranja će se odvijati na dva područja, jednom na sjevernom i jednom na južnom nebu, kako bi se osigurala sveobuhvatna pokrivenost.

Ovom istraživanju bit će pridružena i spektroskopska komponenta, koja će biti ograničena na južno nebo. "Imamo partnerstvo sa zemaljskim Opservatorijem Subaru, koji će obavljati spektroskopsko praćenje na sjevernom nebu, dok će Roman raditi spektroskopiju na južnom nebu. Pomoću spektroskopije možemo s pouzdanjem utvrditi o kojoj se vrsti supernove radi", objašnjava Cenko. Spektroskopija razlaže svjetlost objekta na sastavne boje, otkrivajući kemijski sastav i druge fizikalne karakteristike, što je ključno za potvrdu da se radi o supernovi tipa Ia. Zajedno s druga dva temeljna istraživanja teleskopa Roman, High-Latitude Wide-Area Survey i Galactic Bulge Time-Domain Survey, ovo će istraživanje pomoći u mapiranju svemira s jasnoćom i dubinom koja nikada prije nije postignuta.