Teleskop Nancy Grace Roman powstał z ponownie wykorzystanego lustra wojskowego i będzie miał znacznie szersze pole widzenia niż Hubble.

W 2011 roku NASA otrzymała nieoczekiwany prezent od Agencji Bezpieczeństwa Narodowego — która zarządza wszystkimi amerykańskimi satelitami wojskowymi. Były to dwa lustra o średnicy 2,5 metra, dokładnie takie same jak te, które rozsławiły teleskop Hubble’a.

Lustra te były przeznaczone do satelitów typu KH-11, które w tamtym czasie były już nieco przestarzałe. Były jednak wypolerowane (choć nie pokryte warstwą aluminium) i można je było wykorzystać do budowy teleskopu kosmicznego. Zaledwie kilka lat wcześniej agencja dała zielone światło dla budowy takiego teleskopu i rozpoczęto projektowanie jego instrumentów.

To prawda, że lustro nie jest najdroższą częścią satelity tego typu; najdroższe są czujniki i instrumenty obserwacyjne. Mimo to prezent okazał się bardzo cenny, ponieważ lustro zaprojektowane dla satelity szpiegowskiego oferuje znacznie większe pole widzenia niż Hubble, który został zaprojektowany do skupiania się na bardziej konkretnych celach.

W ten sposób to, co powstało jako zasób wojskowy, zostało dostosowane do potrzeb astronomii. Z czasem nowy teleskop został nazwany Nancy Grace Roman, na cześć naukowca, który zainicjował budowę teleskopu Hubble’a i brał również udział w poprzednich, mniejszych projektach orbitalnych.

Pracownicy NASA pracują nad budową teleskopu kosmicznego Nancy Grace Roman.

Teleskop jest już prawie gotowy. Prace trwały ponad dwanaście lat, wielokrotnie przerywane przez pandemię i powtarzające się próby anulowania projektu przez pierwszą administrację Trumpa. Nie udało się to wówczas z powodu sprzeciwu Kongresu, ale teraz ponownie podejmuje się próbę, ograniczając fundusze przeznaczone na projekt do minimalnego poziomu, który ledwo gwarantuje jego przetrwanie. W sumie teleskop będzie kosztował 3 miliardy dolarów.

Roman miał zostać wystrzelony jesienią 2026 roku, ale prawdopodobnie zostanie to opóźnione do następnej wiosny. Początkowo planowano umieścić go na orbicie stacjonarnej wokół Ziemi, podobnie jak Meteosat lub satelity komunikacyjne. Ostatecznie jednak poleci znacznie dalej: do punktu Lagrange’a L2, oddalonego o ponad półtora miliona kilometrów.

Należy tylko zadbać o to, aby teleskop nigdy nie był skierowany w stronę Słońca, ponieważ mogłoby to zniszczyć jego delikatne czujniki podczerwieni

Ponadto nie będzie on sam. W tym samym regionie znajdują się inne obserwatoria, takie jak Webb czy Plank. Oczywiście przestrzeń kosmiczna jest tak ogromna, że nie ma możliwości zderzenia.

Dlaczego poleci tak daleko? Punkt L2 zapewnia nieprzerwany widok na niebo; należy jedynie zadbać o to, aby teleskop nigdy nie był skierowany w stronę Słońca, ponieważ mogłoby to zniszczyć jego delikatne czujniki podczerwieni. Ceną za to jest to, że jeśli coś pójdzie nie tak, nie będzie można wysłać nikogo – człowieka ani robota – aby to naprawił. Dlatego jego mechanizmy muszą być praktycznie odporne na awarie.

Teleskop Roman jest wyposażony w aparat cyfrowy o rozdzielczości 300 megapikseli i tuzin filtrów, które pozwolą mu analizować częstotliwości od niebieskiego do różnych zakresów podczerwieni. W rzeczywistości światło to jest światłem widzialnym emitowanym przez gwiazdy we wczesnym kosmosie, które podczas swojej miliardowej podróży do nas uległo rozszerzeniu wszechświata, jego długość fali wydłużyła się i obecnie można je zobaczyć tylko w paśmie podczerwieni.

Symulacja pola obserwacyjnego nad galaktyką Andromedy. Księżyc jest przedstawiony w tej samej skali względnej.

Pole widzenia na jednym zdjęciu odpowiada ponad średnicy księżyca w pełni. Jest to ponad sto razy więcej niż może uchwycić Hubble, a jeszcze więcej w porównaniu z Webb, dwoma najpopularniejszymi teleskopami kosmicznymi.

Po wejściu do służby Roman będzie badał zagadnienia związane z samym początkiem wszechświata, strukturą przestrzeni i tajemniczą ciemną energią. Nie przestaje zadziwiać fakt, że zbudowano urządzenie zdolne do badania ciemnej energii, która stanowi 75% wszechświata, ale której natura jest całkowicie nieznana. Zasadniczo chodzi o pomiar czegoś, czego nie znamy.

W tym celu sfotografuje trzy rodzaje obiektów: soczewki grawitacyjne, supernowe, które miały miejsce w odległej przeszłości, oraz zjawisko zwane „oscylacjami akustycznymi barionów”, które zasadniczo polega na wykrywaniu fal w pierwotnej plazmie „skamieniałej”, gdy wszechświat wystarczająco się ochłodził, aby umożliwić tworzenie się atomów neutralnych.

W tym momencie rozproszyła się nieprzezroczysta mgła otaczająca nowo powstały wszechświat, który stał się przezroczysty. Uważa się, że takie oscylacje były zalążkiem pierwszych galaktyk; ich rozmieszczenie może w pewien sposób odzwierciedlać wzór, w jakim fale te zostały zamrożone, umożliwiając swobodny przepływ światła.

Zainteresowanie tymi obserwacjami wynika z faktu, że pozwalają one mierzyć odległości kosmologiczne z dużą dokładnością.

Maksymalna odległość, jaką fale te mogły pokonać przed zatrzymaniem się, gdy wszechświat uległ transformacji, jest dokładnie znana: 470 milionów lat świetlnych. Jest to rodzaj „miarki”, która działa, gdy patrzy się przez teleskop w głąb przestrzeni kosmicznej – co jest równoznaczne z cofnięciem się w czasie do momentu stworzenia wszechświata.

Zainteresowanie tymi obserwacjami wynika z faktu, że pozwalają one mierzyć odległości kosmologiczne z dużą dokładnością. Supernowe typu Ia – które będą badane przez teleskop Roman – to eksplozje gwiazd, które wytwarzają jednolite i przewidywalne światło. Im dalej się znajdują, tym słabiej świecą.

Znając ich rzeczywistą jasność (właściwą dla supernowych tego typu) i jasność pozorną (którą mierzymy), można ustalić, w jakiej odległości się znajdują. To coś w rodzaju porównania 100-watowej żarówki na balkonie sąsiada z tą samą żarówką na drugim końcu ulicy. Dokładność tej metody jest niezwykła: około 2% błędu przy odległościach rzędu miliardów lat świetlnych.

Soczewki grawitacyjne służą również jako skala odległości. Soczewki te zniekształcają wygląd bardzo odległych kwazarów lub galaktyk, powodując, że ich światło dociera do nas różnymi drogami w strukturze czasoprzestrzeni. Czasami powoduje to powstanie wielokrotnych i zniekształconych obrazów. Analiza takich zniekształceń pozwala obliczyć, jak odległy jest dany obiekt. Odległość ta jest mierzona nie tylko w milionach lat świetlnych, ale także w czasie: widzimy go takim, jakim był w czasach bliskich narodzinom wszechświata.

Można spodziewać się wykrycia setek supernowych w odległych galaktykach

Wszystkie te zjawiska nie są łatwe do zbadania. Weźmy na przykład supernowe. Występują one tylko od czasu do czasu, chociaż w miarę zagłębiania się w głęboki wszechświat można ich dostrzec coraz więcej. Ale jak je odkryć wśród miliardów gwiazd i galaktyk pokrywających firmament?

Wykorzystywany system polega na odejmowaniu obrazów. Polega to na porównaniu zdjęcia każdego sektora nieba wykonanego na początku misji z zdjęciami tego samego obszaru wykonanymi w kolejnych tygodniach. I tak dalej, w odstępach kilku miesięcy.

Symulacja obserwacji teleskopu Romana w odległości 4 miliardów lat świetlnych. Niebieskie gwiazdy to supernowe typu IA; najjaśniejsza z nich to kilonowa.

NASA

Od tego momentu wszystko jest procesem obrazowania: komputery mogą porównać oba obrazy i usunąć gwiazdy, których wygląd nie zmienił się między tymi datami. Pozostaną tylko te, których jasność uległa zmianie lub które po prostu pojawiły się między jednym a drugim zdjęciem.

Ile nowych gwiazd można zlokalizować tą metodą? Jak dotąd przeprowadzono tylko symulacje teoretyczne, ale sugerują one, że jeśli weźmiemy tylko jeden stopień nieba — nieco więcej niż pełnia księżyca — i będziemy obserwować go cofając się od 2 miliardów do 11 miliardów lat wstecz, możemy spodziewać się wykrycia setek supernowych w odległych galaktykach.

Bardzo rzadko pojawia się kilonowa. Mamy tu do czynienia z kolosalnym kataklizmem: zderzeniem i fuzją dwóch gwiazd neutronowych (lub nawet czarnych dziur), któremu towarzyszy emisja wysokoenergetycznych promieni gamma i fal grawitacyjnych.

Są to największe eksplozje, jakie kiedykolwiek zarejestrowano, dlatego też są niezwykle rzadkie: może dwie lub trzy na galaktykę w odstępach 100 000 lat. Jednak przy miliardach galaktyk do zbadania obiekty te będą również priorytetowym celem, gdy Nancy Roman wejdzie do służby. Oczywiście, jeśli nie przeszkodzą temu cięcia budżetowe w NASA.