Nancy Grace Roman: teleskopet som ska ge astronomer en panoramablick över rymden

Den centrala kameran, Wide Field Instrument (WFI), är en infraröd kamera på 300 megapixel. Synfältet är minst 100 gånger större än Hubbles, och varje bild kommer att täcka ett område som är större än månens skenbara storlek på himlen – samtidigt som bildskärpan förblir bättre än en bågsekund.

Det stora synfältet gör det lättare att hitta sällsynta objekt, kortvariga händelser och subtila mönster i universums storskaliga struktur. Det ger också astronomer större statistiska urval och bättre möjligheter att skilja verkliga kosmiska signaler från slumpmässiga variationer.

Var kommer teleskopet att befinna sig?

Efter uppskjutningen ska Roman färdas till en position nära Sun–Earth L2, en så kallad lagrangepunkt omkring 1,5 miljoner kilometer från jorden på motsatt sida från solen. Där får observatoriet en utsiktsgeometri som är väl lämpad för infraröda observationer och stora, sammanhängande kartläggningar av himlen.

Varför byggs Roman?

Uppdraget ska hjälpa forskare att undersöka flera av den moderna astronomins största frågor:

• Mörk energi: Vad får universums expansion att accelerera?
• Mörk materia: Hur är den osynliga materien fördelad, och hur har den påverkat bildandet av kosmisk struktur?
• Exoplaneter: Hur vanliga är planeter utanför solsystemet, särskilt kalla och små planeter?
• Galaxernas utveckling: Hur förändrades galaxer och kvasarer under miljarder år?
• Infraröd astrofysik: Vad kan infrarött ljus avslöja om stoft, avlägsna galaxer, stjärnor och planetsystem?

NASA räknar med att Roman under sin livstid kan mäta ljus från ungefär en miljard galaxer. Uppdragets första fem år väntas generera mycket stora datamängder: tekniskt NASA-material anger omkring 11 terabit per dag och mer än 20 petabyte under de första fem åren.

Så ska Roman studera mörk energi och mörk materia

För att förstå mörk energi ska Roman mäta både hur universum har expanderat och hur dess struktur har vuxit över tid. Astronomerna ska bland annat använda avståndsmätningar med supernovor, galaxernas rödförskjutningar och baryoniska akustiska oscillationer – spår av ljudvågor från det tidiga universum – samt svag gravitationslinsning.

Svag gravitationslinsning är särskilt användbar i studier av mörk materia. Gravitationen från materia mellan oss och avlägsna galaxer böjer ljuset en aning och förändrar galaxernas skenbara former. Genom att mäta samordnade, mycket små förändringar över stora himmelsområden kan forskare skapa kartor över all materia, även den mörka materian som inte avger eller reflekterar ljus som vi kan upptäcka.

Genom att jämföra universums expansionshistoria med hur strukturer har vuxit fram kan forskarna testa olika förklaringar till den kosmiska accelerationen. Resultaten kan visa om mörk energi beter sig som förväntat – eller om vår förståelse av gravitation och kosmologi behöver omprövas.

Jakten på exoplaneter

I sin Galactic Bulge Time-Domain Survey ska Roman upprepade gånger observera ett tätt stjärnfält mot Vintergatans centrum. Metoden kallas gravitationsmikrolinsning. När en stjärna passerar framför en mer avlägsen bakgrundsstjärna kan dess gravitation tillfälligt förstärka bakgrundsstjärnans ljus.

Om den främre stjärnan har en planet kan planeten skapa en kort extra förändring i ljuskurvan. Mikrolinsning är särskilt värdefull för att hitta kalla planeter, små planeter och så kallade friflygande planeter – världar som inte kretsar kring någon stjärna och som kan vara svåra att upptäcka med transit- eller radialhastighetsmetoder.

Roman har också instrumentet Coronagraph Instrument. Det är framför allt en teknikdemonstration, inte uppdragets huvudsakliga kamera. Genom att dämpa bländningen från en värdstjärna ska instrumentet testa direkt avbildning av mogna planeter i Jupiters storlek runt närliggande solliknande stjärnor. Tekniken kan bidra till framtida teleskop som kan avbilda mindre, potentiellt jordlika planeter.

Romans två instrument

Wide Field Instrument

WFI är Romans primära vetenskapliga instrument. Det ska genomföra infraröda bilder och spektroskopiska mätningar över stora områden med hjälp av flera filter, ett gitterprisma och ett lågupplösande prisma. Instrumentet bär upp uppdragets huvudsakliga program för kosmologi, galaxernas utveckling, tidsvariabla fenomen och exoplaneter genom mikrolinsning.

Coronagraph Instrument

Coronagraph Instrument ska utveckla och demonstrera teknik för högkontrastavbildning. Målet är att blockera eller dämpa stjärnljus så att betydligt svagare planeter kan upptäckas intill sina värdstjärnor. Det är en viktig teknisk väg framåt, men Romans främsta vetenskapliga styrka är fortfarande WFI:s panoramablick över himlen.

Tre centrala kartläggningar

Romans planerade observationsprogram består av tre kärnundersökningar, kompletterade av andra program inom allmän astrofysik: High-Latitude Wide-Area Survey, High-Latitude Time-Domain Survey och Galactic Bulge Time-Domain Survey.

Den stora hög-latitudundersökningen ska kombinera bilddata och spektroskopi över tusentals kvadratgrader. Huvudmålet är att kartlägga galaxernas fördelning och mäta formerna hos avlägsna galaxer, men samma material kan också användas för att studera objekt i solsystemet, Vintergatans struktur, närliggande galaxer, kvasarer och galaxernas utveckling fram till återjoniseringens epok.

Romans observationer ska göras offentliga utan någon begränsad exklusiv åtkomstperiod. Det innebär att många forskarlag kan analysera materialet och söka svar på frågor som ligger utanför uppdragets huvudmål.

Roman, Hubble och Webb kompletterar varandra

Roman är inte tänkt att ersätta vare sig Hubble eller James Webb Space Telescope. Teleskopen är optimerade för olika typer av observationer:

• Roman: Kartlägger stora himmelsområden snabbt och hittar mönster, populationer, tillfälliga fenomen och intressanta mål.
• Hubble: Fortsätter att ge skarpa observationer av utvalda objekt och regioner och bygger vidare på ett mycket omfattande observationsarkiv.
• Webb: Studerar utvalda mål mer detaljerat och kan se längre tillbaka i tiden med högre upplösning än Roman.

NASA sammanfattar skillnaden enkelt: Roman undersöker breda områden, medan Hubble och Webb fokuserar på särskilda objekt eller mindre regioner. Romans stora kartor kan därför fungera som ett upptäckts- och sammanhangslager, varefter andra observatorier granskar de mest intressanta målen mer ingående.

Den verkliga styrkan ligger i skalan

Roman kan ge rubriker med nya planeter, bättre mätningar av mörk energi och detaljerade kartor över universums struktur. Men uppdragets bredare betydelse kommer sannolikt att ligga i kombinationen av skarpa infraröda bilder, spektroskopi, upprepade observationer och öppna data.

Det gör det möjligt att studera både de största frågorna – hur universum expanderar och hur dess struktur bildas – och en lång rad mindre frågor, från Vintergatans täta centrum till avlägsna galaxer och tidigare okända planetsystem.

Romans viktigaste innovation är därför inte bara att se längre. Det är att se mycket mer av himlen på en gång och förvandla universum till en kartläggning som kan analyseras som en hel population, inte bara som en samling enskilda objekt.