Jak rzymski teleskop kosmiczny NASA zawróci wszechświat

Nowa symulacja pokazuje, jak to zrobić[{” attribute=””>NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope will turn back the cosmic clock, unveiling the evolving universe in ways that have never been possible before when it launches by May 2027. With its ability to rapidly image enormous swaths of space, Roman will help us understand how the universe transformed from a primordial sea of charged particles to the intricate network of vast cosmic structures we see today.

“The Hubble and James Webb Space Telescopes are optimized for studying astronomical objects in-depth and up close, so they’re like looking at the universe through pinholes,” said Aaron Yung, a postdoctoral fellow at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, who led the study. “To solve cosmic mysteries on the biggest scales, we need a space telescope that can provide a far larger view. That’s exactly what Roman is designed to do.”

Combining Roman’s large view with Hubble’s broader wavelength coverage and Webb’s more detailed observations will offer a more comprehensive view of the universe.

W tym głębokim, symulowanym widoku wszechświata każdy punkt reprezentuje galaktykę. Trzy małe kwadraty pokazują pole widzenia Hubble’a, z których każdy ukazuje inny region sztucznego wszechświata. Roman będzie w stanie szybko zeskanować obszar tak duży, jak cały powiększony obraz, co da nam wgląd w największe struktury wszechświata. Źródło zdjęcia: Goddard Space Flight Center NASA i A. Młody

Symulacja obejmuje obszar nieba o wielkości dwóch stopni kwadratowych, czyli około 10 razy większy niż pozorny rozmiar Księżyca w pełni, który zawiera ponad 5 milionów galaktyk. Opiera się na dobrze przetestowanym modelu powstawania galaktyk i reprezentuje nasze obecne rozumienie działania wszechświata. Korzystając z wysoce wydajnej technologii, zespół może symulować dziesiątki milionów galaktyk w mniej niż jeden dzień – co zajęłoby lata przy użyciu konwencjonalnych metod. Kiedy Roman uruchamia i zaczyna dostarczać prawdziwe dane, naukowcy mogą porównać je z zestawem tych symulacji i poddać swoje modele ostatecznemu testowi. Pomoże to odkryć fizykę formowania się galaktyk, ciemną materię – tajemniczą substancję obserwowaną jedynie poprzez efekty grawitacyjne – i wiele więcej.

Artykuł opisujący wyniki został opublikowany w Miesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego w grudniu 2022 r.

Kosmiczna sieć odkryta

Galaktyki i gromady galaktyk świecą w kępach wzdłuż niewidzialnych włókien ciemnej materii w gobelinie wielkości widzialnego wszechświata. Przy wystarczająco szerokim spojrzeniu na ten gobelin możemy zobaczyć, że wielkoskalowa struktura wszechświata przypomina sieć z włóknami rozciągającymi się na setki milionów lat świetlnych. Galaktyki znajdują się głównie na przecięciach włókien, z rozległymi „kosmicznymi pustkami” pomiędzy wszystkimi jasnymi włóknami.

Tak wygląda teraz wszechświat. Ale gdybyśmy mogli cofnąć wszechświat w czasie, zobaczylibyśmy coś zupełnie innego.

Ten obraz, który zawiera miliony symulowanych galaktyk rozsianych w przestrzeni i czasie, pokazuje regiony, które Hubble (biały) i Roman (żółty) mogą uchwycić w jednym ujęciu. Mapowanie całego regionu pokazanego na zdjęciu na tej samej głębokości zajęłoby około 85 lat, ale Romanowi zajęłoby to zaledwie 63 dni. Większa wizja Romana i duże prędkości skanowania ujawnią ewoluujący wszechświat w sposób, który nigdy wcześniej nie był możliwy. Źródło zdjęcia: Goddard Space Flight Center NASA i A. Młody

Zamiast świecących gigantycznych gwiazd rozsianych po odległych od siebie galaktykach, zanurzylibyśmy się w morzu[{” attribute=””>plasma (charged particles). This primordial soup was almost completely uniform, but thankfully for us, there were tiny knots. Since those clumps were slightly denser than their surroundings, they had slightly larger gravitational pull.

Over hundreds of millions of years, the clumps drew in more and more material. They grew large enough to form stars, which were gravitationally drawn toward the dark matter that forms the invisible backbone of the universe. Galaxies were born and continued to evolve, and eventually, planetary systems like our own emerged.

W tym widoku z boku symulowanego Wszechświata każdy punkt reprezentuje galaktykę, której rozmiar i jasność odpowiadają jej masie. Slajdy z różnych epok pokazują, jak Rzymianie postrzegali wszechświat w historii kosmosu. Astronomowie wykorzystają takie obserwacje, aby poskładać razem, w jaki sposób kosmiczna ewolucja doprowadziła do struktury przypominającej sieć, którą widzimy dzisiaj. Źródło zdjęcia: Goddard Space Flight Center NASA i A. Młody

Panoramiczny widok Romana pomoże nam zobaczyć, jak wyglądał wszechświat w różnych fazach i wypełnić wiele luk w naszym rozumieniu. Na przykład, chociaż astronomowie wykryli „halo” ciemnej materii otaczającej galaktyki, nie są pewni, w jaki sposób powstają. Widząc, jak soczewkowanie grawitacyjne powodowane przez ciemną materię zniekształca wygląd odległych obiektów, Roman pomoże nam zobaczyć, jak halo ewoluowało w kosmicznym czasie.

„Takie symulacje będą miały kluczowe znaczenie w połączeniu bezprecedensowo dużych przeglądów galaktyk z czasów rzymskich z niewidzialnym rusztowaniem ciemnej materii, które definiuje rozkład tych galaktyk” – powiedziała Sangeeta Malhotra, astrofizyk z Goddard i jeden z autorów artykułu.

Zobacz większy obraz

Badanie tak ogromnych struktur kosmicznych za pomocą innych teleskopów kosmicznych nie jest praktyczne, ponieważ zebranie wystarczającej liczby obrazów, aby je zobaczyć, może zająć setki lat obserwacji.

„Roman będzie miał wyjątkową zdolność dopasowywania się do głębokości Ultragłębokiego Pola Hubble’a, ale obejmuje wiele razy większy obszar nieba niż szerokie przeglądy, takie jak Skanuj świeceMłody powiedział. „Ten pełny obraz wczesnego Wszechświata pomoże nam zrozumieć, jak reprezentatywne są migawki z Hubble’a i Webba, pokazujące, jak wyglądał w tamtym czasie”.

Roman Wide View posłuży również jako mapa drogowa, którą Hubble i Webb mogą wykorzystać do powiększania interesujących obszarów.

Rumuński Teleskop Kosmiczny to obserwatorium NASA zaprojektowane w celu odkrywania tajemnic ciemnej energii i ciemnej materii, poszukiwania i obrazowania egzoplanet oraz badania wielu zagadnień z zakresu astrofizyki w podczerwieni. Źródło: NASA

Kompleksowe przeglądy nieba przeprowadzone przez Romana będą w stanie sporządzić mapę wszechświata tysiąc razy szybciej niż teleskop Hubble’a. Byłoby to możliwe dzięki sztywnej konstrukcji obserwatorium, dużej prędkości obrotowej i dużemu polu widzenia teleskopu. Roman szybko przejdzie od jednego kosmicznego celu do drugiego. Po uzyskaniu nowego celu wibracje szybko się ustabilizują, ponieważ potencjalnie oscylujące struktury, takie jak panele słoneczne, są utrzymywane na miejscu.

„Roman będzie wykonywał około 100 000 zdjęć rocznie” – powiedział Jeffrey Crook, astrofizyk z Goddard. „Biorąc pod uwagę większe pole widzenia Romana, nawet potężne teleskopy, takie jak Hubble czy Webb, potrzebowałyby więcej czasu niż nasze życie, aby objąć tak dużą część nieba”.

Zapewniając ogromny, wyraźny obraz kosmicznych ekosystemów i współpracując z obserwatoriami takimi jak Hubble i Webb, Roman pomoże nam rozwiązać niektóre z najgłębszych zagadek astrofizyki.

Odniesienie: „Semi-analytic Predictions of Roman – Beginning of a New Era of Deep Surveys of Galaxies” LY Aaron Yung, Rachel S Somerville, Steven L Finkelstein, Peter Behroozi, Romeel Davé, Henry C Ferguson, Jonathan P. Gardner, Gergo Popping , Sangeeta Malhotra, Casey Babovich, James E. Rhodes, Michaela P. Bagley, Michaela Hirschman i Anton M Cokeymore, 8 grudnia 2020 r., dostępne tutaj. Miesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
DOI: 10.1093/mnras/stac3595

W Centrum Lotów Kosmicznych Goddard NASA nadzoruje rzymski teleskop kosmiczny Nancy Grace we współpracy z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA i Caltech/IPAC w Południowej Kalifornii, a także Space Telescope Science Institute w Baltimore. Zróżnicowany zespół naukowców z różnych instytucji badawczych stanowi trzon zespołu naukowego projektu. Projekt jest wspierany przez głównych partnerów branżowych, w tym Ball Aerospace and Technologies z Boulder w Kolorado, L3Harris Technologies z Melbourne na Florydzie oraz Teledyne Scientific & Imaging z Thousand Oaks w Kalifornii.