NASA-in svemirski teleskop SPHEREx dovršio je svoju prvu cjelovitu infracrvenu kartu neba u čak 102 boje i time otvorio novo poglavlje u kartiranju svemira. U samo pola godine rada ovaj relativno kompaktan, ali iznimno sofisticiran opservatorij uspio je “posložiti” panoramski mozaik cijelog neba – od najbližih zvijezda u našoj galaksiji do stotina milijuna galaksija razasutih kroz gotovo 14 milijardi godina kozmičke povijesti. Riječ je o prvoj takvoj 3D “boji” karti svemira, namijenjenoj ne samo vrhunskim znanstvenicima nego i široj javnosti, jer su podaci dostupni svima.

SPHEREx – skraćenica od Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer – lansiran je u ožujku 2025. i smješten u nisku Zemljinu orbitu. Ondje neprekidno kruži oko planeta, prikupljajući infracrveno zračenje koje je ljudskom oku nevidljivo, ali sadrži ključne tragove o nastanku svemira, evoluciji galaksija i “građevnom materijalu” za nastanak planeta i života. Prva all-sky karta, dovršena u prosincu 2025., tek je početak dvogodišnje misije tijekom koje će teleskop cijelo nebo mapirati još tri puta, sve preciznije i osjetljivije.

Karta svemira u 102 infracrvene boje

Za razliku od klasičnih astronomskih snimaka koje prikazuju nebo u tek nekoliko širih infracrvenih ili vidljivih pojaseva, SPHEREx svaki dio neba promatra u 102 usko definirane infracrvene valne duljine. Svaki od tih “kanala” nosi specifičnu informaciju: neki su posebno osjetljivi na sjaj vrućeg vodika u svemirskom plinu, drugi najbolje otkrivaju hladnu među­zvjez­danu prašinu, treći ističu svjetlost zvijezda i galaksija. Kad se sve te boje poslože, dobiva se iznimno bogata slika – svojevrsna kozmička duga u tri dimenzije.

U prvom mozaiku cijelog neba jasno se razlikuju regije u kojima dominira vrući plin, one u kojima prevladava prašina te područja u kojima je vidljiva svjetlost zvijezda i galaksija. Vrući vodikov plin emitira karakteristične “plave” infracrvene valne duljine, a hladna prašina se ističe u “crvenijim” infracrvenim bojama. Zbrojeno, to daje svemirsku kartu koja znanstvenicima omogućuje da istovremeno prate kako se materija raspoređuje na najvećim mjerilima i kako se u maglicama unutar naše Mliječne staze rađaju nove zvijezde i planeti.

Važno je naglasiti da SPHEREx ne proizvodi samo lijepu sliku neba, nego pravu trodimenzionalnu kartu svemira. Svaki promatrani objekt – od udaljene galaksije do oblaka prašine u Mliječnoj stazi – “potpisuje” se u spektru različitim rasporedom boja. Iz tog potpisa moguće je odrediti i udaljenost mnogih galaksija, a time i njihov položaj u 3D raspodjeli materije kroz cijeli vidljivi svemir.

Kako teleskop SPHEREx skenira cijelo nebo

SPHEREx kruži oko Zemlje oko 14 i pol puta na dan, na orbiti koja ga vodi od sjevernog do južnog pola. Pri svakom obilasku snima jedan uski pojas neba, otprilike poput trake koja se proteže oko cijelog nebeskog svoda. Svakog dana nastane oko 3 600 pojedinačnih slika, koje se zatim digitalno spajaju u veći mozaik. Kako Zemlja putuje oko Sunca, tako se i pogled teleskopa polako pomiče, pa nakon otprilike šest mjeseci SPHEREx “vidi” svaku točku neba.

Prvo sustavno mapiranje neba započelo je u svibnju 2025. godine. U sljedećih šest mjeseci, do kraja prosinca, prikupljena je potpuna serija podataka koja je iskorištena za izradu prve cjelovite infracrvene karte neba u 102 boje. Misija je zamišljena tako da u razdoblju od dvije godine napravi četiri takva skeniranja cijelog neba. Spajanjem više karata raste ukupna osjetljivost – slabi objekti koji su u prvom prolazu tek nejasno naznačeni, nakon nekoliko “prelaza” postaju jasniji i mjerljiviji.

Za stabilno i precizno pomicanje pogleda po nebu, SPHEREx ne koristi male raketne motore nego sustav tzv. reaction wheels – unutarnjih zamašnjaka koji rotacijom mijenjaju orijentaciju letjelice. Takav pristup smanjuje vibracije i omogućuje da teleskop ostane izuzetno stabilan tijekom snimanja, što je presudno za dobivanje oštrih infracrvenih slika koje se kasnije spajaju u jedinstveni mozaik. Ukupno će tijekom nominalne misije biti odrađeno više od 11 000 orbita i stotine tisuća pojedinačnih snimaka.

Spektroskopija: pretvaranje boja u koordinate i kemijske potpise

Ključna “supermoć” teleskopa SPHEREx je spektroskopija, tehnika kojom se svjetlost razlaže na sastavne valne duljine. Na najjednostavnijoj razini to je analogno prizmi koja bijelu svjetlost razbija u dugu, ali ovdje je riječ o mnogo finijem i preciznije kalibriranom razlaganju infracrvenog zračenja. Svaka molekula i svaki kemijski element ostavljaju u spektru prepoznatljiv trag – skup specifičnih linija i boja.

Da bi to postigao, SPHEREx koristi šest detektora, a ispred svakog se nalazi posebno dizajnirani filtar s gradijentom od 17 različitih boja. Kada teleskop snimi jedno polje, dobiva se istodobno šest slika, svaka u nizu različitih infracrvenih valnih duljina. Zajedno čine 102 zasebna “kanala”, od najkraćih do najduljih valnih duljina koje instrument pokriva. Svaka cjelovita karta neba zapravo je stoga skup od 102 “pod-karte”, pri čemu svaka boja ističe drugačije strukture u svemiru.

Spektroskopija omogućuje i procjenu udaljenosti mnogih galaksija. Kako se svemir širi, svjetlost iz udaljenih galaksija “pomiče” se prema crvenijim valnim duljinama – fenomen poznat kao crveni pomak. Po tome koliko je spektar pomaknut, znanstvenici mogu izračunati koliko je daleko galaksija i koliko je stara svjetlost koja do nas stiže. SPHEREx će na taj način izmjeriti udaljenost za stotine milijuna galaksija, pretvarajući dvodimenzionalnu projekciju neba u trodimenzionalnu kartu kozmičke strukture.

Posebna snaga SPHEREx-a je u kombinaciji širokog vidnog polja i velikog broja boja. Klasični svemirski teleskopi poput Hubblea ili Jamesa Webba (JWST) mogu proučavati manja područja neba s vrlo visokom prostornom i spektroskopskom rezolucijom, ali na ograničenoj površini. SPHEREx je, suprotno tome, dizajniran kao “kozmički kartograf” – pokriva cijelo nebo, ali s umjerenom prostornom rezolucijom i iznimno bogatim spektrom. Zajedno takvi instrumenti čine moćan sustav: SPHEREx pronalazi zanimljive ciljeve i statističke uzorke, a Webb, Euclid, Roman i drugi teleskopi ulaze u detalje.

Inflacija: tragovi najranijih trenutaka nakon velikog praska

Jedan od glavnih znanstvenih ciljeva misije jest istraživanje zagonetnog razdoblja kozmičke inflacije. Prema današnjim modelima, svemir je u prvom djeliću sekunde nakon velikog praska prošao kroz nevjerojatno brzu ekspanziju: u prvom bilijuntom dijelu bilijuntog dijela sekunde prostor se proširio za faktor otprilike “bilijun na bilijunsku”. Ni jedan drugi poznati proces u fizici ne uključuje toliku količinu energije i tako ekstremna mjerila.

Iako se inflacija odigrala nezamislivo brzo i davno, njezini se tragovi mogu vidjeti u današnjoj raspodjeli galaksija na najvećim mjerilima u svemiru. Male kvantne fluktuacije u vrlo ranom svemiru inflacija je rastegnula na kozmičke razmjere; s vremenom su one postale sjemenke oko kojih su se počele skupljati tvari i nastajale galaksije, jata galaksija i golemi kozmički “filamenti”. Način na koji su galaksije raspoređene u prostoru danas stoga nosi informacije o tome kakva je točno inflacija bila.

Zahvaljujući milijunima izmjerenih galaksija i njihovim udaljenostima, SPHEREx će omogućiti vrlo precizna statistička mjerenja tih rasporeda. Usporedbom opažanja s različitim teorijskim modelima inflacije, znanstvenici će moći isključiti neke scenarije i suziti krug mogućnosti. Cilj nije samo potvrditi da se inflacija dogodila, nego razumjeti njezinu fizikalnu prirodu: kakvo je polje uzrokovalo ekspanziju, kako se ponašalo i što nam to govori o fundamentalnim zakonima fizike.

Voda i organski spojevi u Mliječnoj stazi

Druga velika znanstvena zadaća SPHEREx-a tiče se građevnih blokova života. U hladnim molekularnim oblacima unutar naše galaksije, daleko od blještavih zvijezda, nalaze se ogromne količine leda i organskih spojeva nataloženih na sitnim zrncima prašine. Kada se iz takvih oblaka formiraju nove zvijezde i planetarni sustavi, taj se led ugradi u protoplanetarne diskove i kasnije u komete i planete.

Smatra se da je značajan dio vode u Zemljinim oceanima nastao upravo na taj način – kao led u međuzvjezdanom oblaku iz kojeg je Sunčev sustav nastao. Proučavanjem infracrvenih “potpisa” vode, ugljikovodika i drugih molekula u spektarima, SPHEREx može mapirati gdje se ti sastojci nalaze u Mliječnoj stazi i u kojim količinama. Posebno su zanimljive molekule poput policikličkih aromatskih ugljikovodika (PAH), koje se ponašaju kao “dim” ili čađa na kozmičkim mjerilima – u nekim valnim duljinama blistaju, u drugima potpuno nestaju.

SPHEREx će tijekom misije napraviti milijune pojedinačnih mjerenja takvih oblaka u čitavoj galaksiji. Rezultat će biti karta koja pokazuje gdje u Mliječnoj stazi dominiraju hladni oblaci bogati vodom i organskim spojevima, a gdje prevladavaju regije snažnog zračenja koje razbijaju te molekule. Takva karta pomoći će astrofizičarima da bolje razumiju uvjete u kojima nastaju planetarni sustavi nalik našem i koliko su česti scenariji u kojima planeti dobivaju izdašne zalihe vode već u ranoj fazi formiranja.

Osim u našoj galaksiji, SPHEREx će pratiti i ukupnu količinu svjetlosti koju su kroz povijest svemira emitirale sve galaksije zajedno – tzv. kozmičku pozadinu svjetlosti u infracrvenom području. To je još jedan način da se rekonstruira povijest formiranja zvijezda, nastanka prašine i širenja kompleksne kemije kroz milijarde godina.

SPHEREx u društvu drugih svemirskih teleskopa

SPHEREx nije jedini teleskop koji je mapirao cijelo nebo u infracrvenom području – prethodio mu je, primjerice, NASA-in WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer), koji je u 2010-im godinama također izradio cjelovitu kartu neba. No WISE je radio u tek četiri široka infracrvena pojasa, dok SPHEREx pokriva više od stotinu uskih valnih duljina. Rezultat je mnogo finija “boja” informacija, idealna za spektroskopsku analizu i precizno određivanje udaljenosti i kemijskog sastava.

S druge strane spektra nalazi se James Webb Space Telescope, specijaliziran za detaljna, duboka promatranja malih područja neba. Webb može proučavati atmosfere egzoplaneta ili strukturu pojedinačnih galaksija s nevjerojatnom preciznošću, ali ne može brzo prikupiti podatke za cijelo nebo. SPHEREx popunjava upravo tu nišu: stvara kontekst u kojem se pojedina duboka promatranja mogu bolje razumjeti, jer pokazuje kako se određeni objekt uklapa u veću sliku.

Uz Webba, SPHEREx će surađivati i s misijama kao što su europski teleskop Euclid, specijaliziran za proučavanje tamne tvari i tamne energije, te budući NASA-in teleskop Nancy Grace Roman. SPHEREx može, primjerice, pomoći u odabiru ciljeva za detaljnija snimanja ili pružiti dodatne podatke o galaksijama koje se već nalaze u katalozima tih misija. Tako nastaje mreža komplementarnih opservatorija u kojoj svaki instrument obavlja ono za što je najprikladniji.

Mala misija s velikom međunarodnom ekipom

Iako se u NASA-inoj hijerarhiji SPHEREx svrstava među tzv. srednje velike (MIDEX) astrofizičke misije, količina znanosti koju će proizvesti razmjerna je mnogo većim i skupljim projektima. Teleskop i svemirska letjelica izrađeni su u tvrtki BAE Systems, dok je ugradnju instrumenta i sustava koordinirao Kalifornijski tehnološki institut (Caltech), institucija koja ujedno upravlja i NASA-inim Jet Propulsion Laboratoryjem (JPL).

Znanstveni tim okuplja istraživače iz deset institucija u Sjedinjenim Državama te partnerske skupine u Južnoj Koreji i Tajvanu. Takva međunarodna suradnja postala je standard u suvremenoj astrofizici: gradnja svemirskog teleskopa traži industrijsko iskustvo, razvoj naprednih detektora i kompleksne softverske alate, dok analiza podataka uključuje čitave generacije doktoranada i postdoktoranada koji će na SPHEREx-u temeljiti svoje radove i karijere.

Za vodstvo NASA-ine Astrofizičke divizije, SPHEREx je primjer kako se hrabre ideje mogu realizirati u misiji umjerene veličine. Uz pažljivo osmišljen instrument i jasno definirane znanstvene ciljeve, moguće je za relativno ograničen budžet dobiti podatke koji su relevantni za temeljna pitanja kozmologije i astrofizike – od inflacije do raspodjele vode u galaksiji.

Otvorena znanost: podaci dostupni svima

Jedna od najvažnijih značajki misije je njezina posvećenost otvorenoj znanosti. SPHEREx od početka znanstvenih operacija redovito šalje podatke u NASA-in arhiv infracrvenih promatranja, kojim upravlja centar IPAC na Caltechu. Nakon što znanstveni tim ukloni instrumentalne artefakte, kalibrira slike i provjeri kvalitetu, podaci se objavljuju kao javni setovi. Prva cjelovita infracrvena karta neba sada je dostupna i profesionalnim astronomima i naprednim amaterima ili znatiželjnim korisnicima.

Tijekom dvogodišnje nominalne misije planirano je da SPHEREx cijelo nebo presnimi četiri puta. Nakon otprilike jedne godine rada, NASA je najavila objavu cjelovite karte u svih 102 infracrvene boje kao referentnog kataloga. Svaki sljedeći prolaz dodatno će poboljšati osjetljivost i omogućiti detekciju sve slabijih izvora. Kako se arhiv bude punio, rasti će i potencijal za neočekivana otkrića – od rijetkih tipova galaksija do neobičnih oblaka prašine i novih tragova o nastanku planetarnih sustava.

Za astronome koji planiraju promatranja drugim teleskopima, SPHEREx nudi dragocjen “predpregled” neba. Istraživači mogu u arhivu pretraživati područja interesa, provjeravati postoje li tamo neuobičajeni spektroskopski potpisi ili visoka koncentracija prašine i plina, te prema tome prilagoditi svoja detaljna promatranja. No istovremeno, jednako je moguć i obrnuti scenarij: objekti slučajno otkriveni drugim misijama mogu se u SPHEREx-ovim kartama analizirati u širem kontekstu i povezati s okolinom koja ih okružuje.

Kako misija bude odmicala, količina podataka eksponencijalno će rasti, a SPHEREx-ova prva karta neba poslužit će kao referentna točka za sljedeće desetljeće istraživanja. Podsjeća da i relativno kompaktan teleskop, smješten u nisku orbitu oko Zemlje, može otvoriti prozor prema najranijim trenucima svemira i istovremeno pratiti put vode i organskih molekula koje jednom, negdje, možda završe u oceanima nekog drugog svijeta.