Nancy Grace Roman จะค้นพบอะไรในจักรวาล

Roman มีกำหนดเดินทางขึ้นสู่อวกาศจากศูนย์อวกาศเคนเนดีของ NASA ในรัฐฟลอริดา สหรัฐฯ ด้วยจรวด SpaceX Falcon Heavy

กล้องโทรทรรศน์จะทำงานอยู่ที่ไหน

หลังปล่อย Roman จะเดินทางไปยังบริเวณใกล้ จุดลากร็องฌ์ L2 ของระบบดวงอาทิตย์–โลก ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตร หรือราว 930,000 ไมล์ ในทิศทางตรงข้ามกับดวงอาทิตย์

ตำแหน่งดังกล่าวเหมาะกับการสังเกตการณ์อินฟราเรด และช่วยให้ Roman มีรูปแบบการมองท้องฟ้าที่เหมาะสมกับการสำรวจพื้นที่ขนาดใหญ่ต่อเนื่อง

NASA สร้าง Roman ขึ้นมาเพื่อหาคำตอบอะไร

ภารกิจนี้มุ่งตอบคำถามสำคัญหลายด้านของดาราศาสตร์สมัยใหม่ ได้แก่

• พลังงานมืด: อะไรเป็นสาเหตุให้จักรวาลขยายตัวเร็วขึ้น
• สสารมืด: สสารที่มองไม่เห็นกระจายตัวอยู่ที่ใด และมีบทบาทต่อการก่อตัวของโครงสร้างจักรวาลอย่างไร
• ดาวเคราะห์นอกระบบ: ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ โดยเฉพาะโลกเย็นและดาวเคราะห์มวลต่ำ พบได้บ่อยเพียงใด
• วิวัฒนาการของกาแล็กซี: กาแล็กซีและควาซาร์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตลอดช่วงเวลาหลายพันล้านปี
• ดาราศาสตร์อินฟราเรด: แสงอินฟราเรดจะเปิดเผยอะไรเกี่ยวกับบริเวณที่เต็มไปด้วยฝุ่น กาแล็กซีไกลโพ้น ดาวฤกษ์ และระบบดาวเคราะห์

ความได้เปรียบของมุมมองแบบ Wide Field

เครื่องมือหลักของ Roman คือ Wide Field Instrument (WFI) กล้องอินฟราเรดความละเอียด 300 ล้านพิกเซล ซึ่งมีขอบเขตการมองเห็นกว้างกว่าฮับเบิลอย่างน้อย 100 เท่า ภาพแต่ละภาพจะครอบคลุมพื้นที่ท้องฟ้าที่ใหญ่กว่าขนาดปรากฏของดวงจันทร์เต็มดวง และยังคงความสามารถในการถ่ายภาพละเอียดระดับต่ำกว่าหนึ่งพิลิปดาโค้ง

ความสามารถนี้ทำให้ Roman มีบทบาทเฉพาะตัวในดาราศาสตร์อวกาศ เพราะสามารถ

1. สำรวจท้องฟ้าได้มากขึ้นต่อการถ่ายภาพหนึ่งครั้ง ทำแผนที่พื้นที่กว้างได้โดยใช้เวลาสังเกตการณ์น้อยกว่ากล้องมุมแคบ
2. ค้นหาวัตถุและเหตุการณ์หายาก มุมมองที่กว้างเพิ่มโอกาสพบกาแล็กซีแปลกใหม่ วัตถุที่เปลี่ยนแปลง และเหตุการณ์อายุสั้นในจักรวาล
3. สร้างฐานข้อมูลทางสถิติขนาดใหญ่ แคตตาล็อกจำนวนมากช่วยให้นักดาราศาสตร์แยกสัญญาณจริงออกจากความผันผวนแบบสุ่ม
4. ค้นหาเป้าหมายสำหรับการศึกษาต่อ ฮับเบิล กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ และหอดูดาวบนโลกสามารถนำวัตถุที่น่าสนใจไปศึกษารายละเอียดเพิ่มเติม

NASA ประเมินว่า Roman อาจวัดแสงจากกาแล็กซีได้ราว หนึ่งพันล้านกาแล็กซี ตลอดอายุภารกิจ ขณะที่ในช่วงห้าปีแรกคาดว่าจะสร้างข้อมูลประมาณ 11 เทราบิตต่อวัน และมากกว่า 20 เพตะไบต์

Roman จะสำรวจอะไรบ้าง

แผนการสังเกตการณ์ของ Roman ประกอบด้วยการสำรวจหลักที่กำหนดโดยชุมชนนักดาราศาสตร์ 3 โครงการ พร้อมโครงการดาราศาสตร์ทั่วไป ได้แก่

• High-Latitude Wide-Area Survey การสำรวจพื้นที่กว้างในบริเวณละติจูดสูง
• High-Latitude Time-Domain Survey การติดตามการเปลี่ยนแปลงของวัตถุในบริเวณละติจูดสูงตามเวลา
• Galactic Bulge Time-Domain Survey การติดตามบริเวณป่องกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกตามเวลา

การสำรวจพื้นที่กว้างจะใช้ทั้งการถ่ายภาพและสเปกโทรสโกปีครอบคลุมท้องฟ้าหลายพันตารางองศา เป้าหมายหลักคือทำแผนที่การกระจายตัวของกาแล็กซี วัดรูปร่างของกาแล็กซีไกลโพ้น และศึกษาการขยายตัวของจักรวาล แต่ข้อมูลชุดเดียวกันยังนำไปใช้ศึกษาวัตถุในระบบสุริยะ โครงสร้างทางช้างเผือก กาแล็กซีใกล้เคียง ควาซาร์ และวิวัฒนาการของกาแล็กซีตั้งแต่ยุครีไอออไนเซชันได้ด้วย

ข้อมูลจากการสังเกตการณ์ของ Roman มีแผนเปิดให้สาธารณชนเข้าถึงได้โดยไม่มีช่วงเวลาสงวนสิทธิ์เฉพาะทีมใดทีมหนึ่ง นักวิจัยหลายกลุ่มจึงสามารถนำข้อมูลไปวิเคราะห์ต่อยอดนอกเหนือจากเป้าหมายหลักของภารกิจได้

Roman จะช่วยไขปริศนาพลังงานมืดและสสารมืดอย่างไร

Roman จะศึกษาพลังงานมืดด้วยการวัดทั้ง ประวัติการขยายตัวของจักรวาล และ การเติบโตของโครงสร้างจักรวาลตามเวลา โดยใช้หลายวิธีประกอบกัน เช่น การวัดระยะทางจากซูเปอร์โนวา การวัดเรดชิฟต์ของกาแล็กซีและการสั่นพ้องอะคูสติกของแบริออน หรือ BAO รวมถึงการวัดเลนส์ความโน้มถ่วงแบบอ่อน

เลนส์ความโน้มถ่วงแบบอ่อนมีความสำคัญต่อการศึกษาสสารมืด แรงโน้มถ่วงจากสสารที่อยู่ระหว่างทางจะเบนเส้นทางแสงจากกาแล็กซีฉากหลังเล็กน้อย ทำให้รูปร่างที่ปรากฏบิดเบี้ยว นักดาราศาสตร์สามารถนำการบิดเบี้ยวที่สัมพันธ์กันในพื้นที่ขนาดใหญ่ไปสร้างแผนที่การกระจายตัวของสสารทั้งหมด รวมถึงสสารมืดที่ไม่ปล่อยหรือสะท้อนแสงให้ตรวจจับได้

การเปรียบเทียบประวัติการขยายตัวกับการเติบโตของโครงสร้างจักรวาลจะช่วยทดสอบคำอธิบายต่าง ๆ เกี่ยวกับการเร่งตัวของจักรวาล ผลลัพธ์อาจบอกได้ว่าพลังงานมืดมีพฤติกรรมตามแบบจำลองปัจจุบันหรือไม่ หรือจำเป็นต้องทบทวนความเข้าใจเรื่องแรงโน้มถ่วงและจักรวาลวิทยาเสียใหม่

Roman จะค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบได้อย่างไร

Roman จะสังเกตบริเวณที่หนาแน่นใกล้ใจกลางทางช้างเผือกซ้ำหลายครั้ง โดยใช้เทคนิค ไมโครเลนส์ความโน้มถ่วง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ด้านหน้าขยายแสงจากดาวฤกษ์ฉากหลังชั่วคราว

หากดาวฤกษ์ด้านหน้ามีดาวเคราะห์อยู่ ดาวเคราะห์ดวงนั้นอาจทำให้รูปแบบการสว่างขึ้นเกิดสัญญาณเพิ่มเติมช่วงสั้น ๆ เทคนิคนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับค้นหาดาวเคราะห์เย็น ดาวเคราะห์มวลต่ำ และดาวเคราะห์เร่ร่อนที่ไม่ได้โคจรรอบดาวฤกษ์ ซึ่งอาจตรวจจับได้ยากด้วยวิธีดูการผ่านหน้าดาวหรือการวัดความเร็วแนวเล็ง

Roman ยังติดตั้ง Coronagraph Instrument ซึ่งเป็นอุปกรณ์สาธิตเทคโนโลยี ไม่ใช่กล้องสำรวจหลักของภารกิจ เครื่องมือนี้จะทดสอบการลดแสงจ้าจากดาวฤกษ์แม่ เพื่อถ่ายภาพโดยตรงของดาวเคราะห์ขนาดใกล้เคียงดาวพฤหัสบดีที่มีอายุหลายพันล้านปีและโคจรรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ที่อยู่ใกล้เคียง ผลลัพธ์อาจช่วยพัฒนาเครื่องมือสำหรับภารกิจในอนาคตที่ต้องการถ่ายภาพดาวเคราะห์ขนาดเล็กซึ่งอาจมีลักษณะคล้ายโลก

เครื่องมือหลัก 2 ชิ้นของ Roman

Wide Field Instrument (WFI)

WFI คือเครื่องมือวิทยาศาสตร์หลักของ Roman ทำหน้าที่ถ่ายภาพอินฟราเรดพื้นที่กว้างและทำสเปกโทรสโกปี โดยใช้ฟิลเตอร์หลายชนิด รวมถึง grism และปริซึมความละเอียดต่ำ ความสามารถเหล่านี้รองรับการศึกษาจักรวาลวิทยา วิวัฒนาการของกาแล็กซี วัตถุที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา และดาวเคราะห์จากไมโครเลนส์

Coronagraph Instrument

Coronagraph Instrument มุ่งพัฒนาเทคโนโลยีถ่ายภาพโดยตรงแบบคอนทราสต์สูง ด้วยการบังหรือลดแสงจากดาวฤกษ์ เพื่อให้ตรวจจับดาวเคราะห์ที่จางกว่ามากซึ่งอยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่ได้ แม้จะเป็นเทคโนโลยีสำคัญสำหรับอนาคต แต่จุดแข็งหลักของ Roman ยังคงอยู่ที่ความสามารถของ WFI ในการสำรวจจักรวาลแบบพาโนรามา

Roman ต่างจากฮับเบิลและเจมส์ เวบบ์อย่างไร

Roman ไม่ได้ถูกสร้างมาเพื่อแทนที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลหรือ James Webb Space Telescope (JWST) ทั้งสามภารกิจมีบทบาทเสริมกัน

• Roman: สำรวจท้องฟ้าพื้นที่กว้างอย่างรวดเร็ว เพื่อค้นหารูปแบบ ประชากรของวัตถุ เหตุการณ์ชั่วคราว และเป้าหมายที่น่าสนใจ
• ฮับเบิล: ให้ภาพคมชัดของวัตถุหรือบริเวณที่เลือกศึกษา พร้อมคลังข้อมูลสะสมยาวนานหลายทศวรรษ
• เจมส์ เวบบ์: ศึกษาเป้าหมายที่เลือกไว้ในรายละเอียดสูง มองย้อนกลับไปยังจักรวาลยุคแรกได้ไกล และทำงานที่ความละเอียดสูงในช่วงคลื่นอินฟราเรด

NASA สรุปความแตกต่างไว้อย่างชัดเจนว่า Roman จะสำรวจพื้นที่กว้าง ขณะที่ฮับเบิลและเวบบ์จะมุ่งศึกษาวัตถุหรือบริเวณเฉพาะเจาะจง พูดง่าย ๆ คือ Roman ทำหน้าที่เหมือนแผนที่ภาพรวมขนาดใหญ่ จากนั้นกล้องอื่น ๆ จะเข้าไปซูมดูจุดที่มีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์เป็นพิเศษ

สิ่งสำคัญที่สุดของ Roman อาจไม่ใช่ภาพใดภาพหนึ่ง

Roman อาจสร้างข่าวใหญ่จากการค้นพบดาวเคราะห์ดวงใหม่ การวัดพลังงานมืดที่แม่นยำขึ้น หรือแผนที่โครงสร้างจักรวาลที่ละเอียดกว่าเดิม แต่ผลกระทบในวงกว้างของภารกิจจะมาจากการผสานภาพอินฟราเรดคมชัด สเปกโทรสโกปี การสังเกตการณ์ซ้ำ และการเปิดข้อมูลจำนวนมหาศาลให้ชุมชนนักวิทยาศาสตร์เข้าถึง

แนวทางนี้ทำให้นักดาราศาสตร์ศึกษาคำถามระดับใหญ่ เช่น จักรวาลขยายตัวอย่างไรและโครงสร้างต่าง ๆ ก่อตัวขึ้นอย่างไร ควบคู่กับคำถามที่เล็กลง ตั้งแต่บริเวณใจกลางทางช้างเผือกที่แออัด ไปจนถึงกาแล็กซีไกลโพ้นและระบบดาวเคราะห์ที่ยังไม่เคยพบเห็น

นวัตกรรมสำคัญของ Roman จึงไม่ใช่เพียงการมองได้ไกลกว่าเดิม แต่คือการมองเห็น ท้องฟ้าจำนวนมากในคราวเดียว เปลี่ยนจักรวาลจากชุดวัตถุรายชิ้นให้กลายเป็นประชากรขนาดใหญ่ที่สามารถสำรวจ เปรียบเทียบ และวัดผลได้อย่างเป็นระบบ