Roman skal kortlægge universet i en hidtil uset skala

Hvor skal teleskopet arbejde?

Efter opsendelsen bevæger Roman sig til et område nær Sol–Jordens L2-punkt, omkring 1,5 millioner kilometer fra Jorden i retningen væk fra Solen. Denne placering skal understøtte teleskopets infrarøde observationer og give en stabil geometri til kortlægning af store dele af himlen.

Hvorfor har NASA bygget Roman?

Missionen skal hjælpe med at besvare nogle af astrofysikkens største ubesvarede spørgsmål:

• Mørk energi: Hvad får universets udvidelse til at accelerere?
• Mørkt stof: Hvordan er det usynlige stof fordelt, og hvordan er kosmiske strukturer vokset omkring det?
• Exoplaneter: Hvor almindelige er planeter uden for Solsystemet – især kolde og relativt små verdener?
• Galakseudvikling: Hvordan har galakser og kvasarer ændret sig gennem milliarder af år?
• Infrarød astrofysik: Hvad kan infrarødt lys afsløre om støvede områder, fjerne galakser, stjerner og planetsystemer?

Hvor Hubble og James Webb ofte undersøger ét særligt interessant objekt ad gangen, er Roman først og fremmest et kortlægningsinstrument. Det skal hurtigt og systematisk gennemgå brede områder af himlen. Det er vigtigt, fordi sjældne objekter, kortvarige hændelser og små mønstre i universets struktur bliver lettere at finde og måle, når datagrundlaget er stort.

Den brede synsvinkel er Romans store fordel

Roman får et Wide Field Instrument (WFI) – et infrarødt kamera på 300 megapixel med et synsfelt, der er mindst 100 gange større end Hubbles. Hvert billede vil dække et område af himlen, der er større end Månens tilsyneladende størrelse, samtidig med at teleskopet bevarer billeddannelse med en opløsning på under ét buesekund.

Den kombination giver Roman en særlig rolle i rumforskningen:

1. Mere himmel i hver eksponering: Store kort kan opbygges på langt kortere tid end med et teleskop med et smalt synsfelt.
2. Flere sjældne objekter og hændelser: Et bredere udsyn øger chancen for at fange usædvanlige galakser, variable objekter og kortvarige kosmiske begivenheder.
3. Stærkere statistiske resultater: Store kataloger gør det lettere at skelne ægte kosmiske signaler fra tilfældige variationer.
4. Nye mål for opfølgning: Hubble, Webb og jordbaserede observatorier kan senere undersøge de mest interessante objekter i større detalje.

NASA forventer, at Roman i løbet af missionen kan måle lys fra omkring en milliard galakser. I de første fem år ventes missionen at skabe enorme datamængder: NASA’s tekniske materiale anslår omkring 11 terabit om dagen og over 20 petabyte i løbet af de første fem års drift.

Hvad skal Roman observere?

Romans planlagte observationsprogram består af tre centrale undersøgelser samt yderligere programmer inden for generel astrofysik. De tre hovedundersøgelser er High-Latitude Wide-Area Survey, High-Latitude Time-Domain Survey og Galactic Bulge Time-Domain Survey.

Den brede undersøgelse skal kombinere billeddannelse og spektroskopi over tusindvis af kvadratgrader. Hovedformålet er at kortlægge galaksernes fordeling og måle formerne på fjerne galakser, men dataene vil også kunne bruges til forskning i objekter i Solsystemet, Mælkevejens struktur, nærliggende galakser, kvasarer og galakser fra perioden omkring reioniseringen.

Romans observationer er planlagt til at blive offentliggjort uden en periode, hvor bestemte forskergrupper har eneret til dataene. Den åbne model giver mange forskerhold mulighed for at analysere materialet og undersøge spørgsmål, der rækker ud over missionens hovedmål.

Sådan undersøger Roman mørk energi og mørkt stof

Roman skal undersøge mørk energi ved både at måle hvordan universet har udvidet sig, og hvordan dets strukturer er vokset over tid. NASA fremhæver flere metoder, blandt andet afstandsmålinger med supernovaer, undersøgelser af galaksers rødforskydning og baryoniske akustiske svingninger samt svag gravitationslinseeffekt.

Den svage linseeffekt er især nyttig i forskningen i mørkt stof. Tyngdekraften fra stof mellem os og fjerne galakser bøjer lyset en smule og forvrænger galaksernes tilsyneladende former. Ved at måle de sammenhængende forvrængninger over et enormt område kan astronomerne lave kort over stoffets fordeling – også det mørke stof, som hverken udsender eller reflekterer lys, vi kan registrere.

Ved at sammenligne universets udvidelseshistorie med væksten i dets strukturer kan forskerne teste forskellige forklaringer på den kosmiske acceleration. Resultaterne kan vise, om mørk energi opfører sig som forventet, eller om observationerne peger på, at vores forståelse af tyngdekraft eller kosmologi skal ændres.

Sådan finder Roman exoplaneter

Romans undersøgelse af Mælkevejens centrale område skal gentagne gange observere en tæt befolket del af galaksen. Her anvendes gravitationsmæssig mikrolinsning: Tyngdekraften fra en forgrundsstjerne kan midlertidigt forstørre lyset fra en fjernere baggrundsstjerne.

Hvis forgrundsstjernen har en planet, kan planeten skabe et kort ekstra signal i lysstyrkens variation. Mikrolinsning er særligt velegnet til at finde kolde planeter, små planeter og fritsvævende planeter – verdener, som kan være vanskelige at opdage med transitmetoden eller målinger af stjerners radialhastighed.

Roman får også et Coronagraph Instrument, men det er først og fremmest en teknologidemonstration og ikke missionens primære kamera. Instrumentet skal dæmpe lyset fra en værtsstjerne, så forskerne kan afprøve direkte billeddannelse af modne planeter på størrelse med Jupiter omkring nærliggende sollignende stjerner. Erfaringerne kan hjælpe med at udvikle fremtidige observatorier, der måske kan fotografere mindre og potentielt jordlignende planeter.

Romans to instrumenter

Wide Field Instrument

WFI er Romans vigtigste videnskabelige instrument. Det skal udføre infrarød billeddannelse og spektroskopi over store områder ved hjælp af flere filtre, et gitterprisme og et lavopløseligt prisme. Funktionerne understøtter missionens centrale programmer inden for kosmologi, galakseudvikling, tidsvarierende fænomener og exoplaneter fundet med mikrolinsning.

Coronagraph Instrument

Coronagraph Instrument fokuserer på direkte billeddannelse med høj kontrast. Formålet er at demonstrere metoder til at blokere eller undertrykke stjernelys, så langt svagere planeter kan registreres tæt ved deres værtsstjerner. Det er en vigtig teknologisk vej frem, men Romans afgørende videnskabelige styrke er WFI’s panoramiske kortlægning af himlen.

Roman, Hubble og Webb får forskellige roller

Roman skal ikke erstatte Hubble eller James Webb Space Telescope. De tre observatorier er optimeret til forskellige former for observationer:

• Roman: Gennemgår store områder af himlen hurtigt og finder mønstre, populationer, forbigående fænomener og interessante mål.
• Hubble: Fortsætter med at levere skarpe observationer og et omfattende arkiv over udvalgte objekter og områder.
• Webb: Undersøger udvalgte mål mere detaljeret og kan se længere tilbage i tiden med højere opløsning end Roman.

NASA beskriver forskellen enkelt: Roman kortlægger brede områder, mens Hubble og Webb fokuserer på bestemte objekter eller regioner. Romans store kort kan derfor fungere som et opdagelses- og kontekstlag, hvorefter andre observatorier undersøger de mest videnskabeligt interessante mål nærmere.

Den største effekt kommer fra skalaen

Romans mest iøjnefaldende resultater kan blive nye planeter, bedre målinger af mørk energi og detaljerede kort over universets struktur. Men missionens bredere betydning vil især komme fra kombinationen af skarpe infrarøde billeder, spektroskopi, gentagne observationer og fri adgang til enorme datamængder.

Det giver astronomerne mulighed for både at undersøge de største spørgsmål – hvordan universet udvider sig, og hvordan dets strukturer dannes – og en lang række mindre spørgsmål om alt fra Mælkevejens tætpakkede centrum til fjerne galakser og hidtil ukendte planetsystemer.

Romans vigtigste nyskabelse er derfor ikke kun, at teleskopet kan se langt. Det kan se meget mere af himlen på én gang og gøre universet til en statistisk undersøgelse af hele populationer – ikke kun en samling af enkeltstående objekter.