NASA изстреля Roman: телескоп, който търси невидимото

NASA изстреля Nancy Grace Roman Space Telescope – нова космическа обсерватория, която ще изследва тъмната материя, ще търси хиляди планети извън Слънчевата система и ще картографира огромни области от Вселената. Roman има основно огледало със същия диаметър като Hubble, но зрителното му поле е над 100 пъти по-голямо. Заедно с ветераните Hubble и James Webb новият телескоп ще даде на астрономите възможност да изследват Вселената едновременно в невиждан досега мащаб и детайл.

В 14:26 ч. българско време Falcon Heavy излетя от Launch Complex 39A във Флорида с Nancy Grace Roman Space Telescope на борда. 31 минути и 31 секунди след старта обсерваторията се отдели от ракетата и продължи самостоятелното си пътуване към втората точка на Лагранж в системата Слънце-Земя – L2, на около 1.5 милиона километра от Земята. NASA потвърди установяването на комуникация с Roman още в 14:33 ч. българско време. 

Пътуването до L2 ще продължи около три месеца. През този период екипите ще разгърнат системите на обсерваторията, ще проверят инструментите и ще извършат необходимите калибрации. Първите научни изображения се очакват в началото на 2027 г., след което ще стартира основната петгодишна мисия. 

Roman не идва с по-голямо огледало от Webb. Нито с по-висока разделителна способност от Hubble. Силата му е другаде. Основното му огледало е с диаметър 2.4 метра – колкото това на Hubble и значително по-малко от 6.5-метровото огледало на Webb. При Roman оптиката и детекторите са проектирани така, че да наблюдават огромни области от небето с висока чувствителност и да се връщат към тях многократно.

Основният му инструмент, Wide Field Instrument, разполага с 18 детектора и около 300 мегапиксела. Една експозиция ще обхваща площ от небето, по-голяма от видимия размер на пълната Луна. Зрителното поле е поне 100 пъти по-голямо от това на инфрачервените инструменти на Hubble, а NASA очаква Roman да наблюдава небето до 1000 пъти по-бързо от Hubble. За първите пет години мисията трябва да картографира повече от 50 пъти по-голяма площ от небето, отколкото Hubble е покрил през първите си 30 години. 

Тази разлика има пряко научно значение. Част от най-трудните въпроси в космологията изискват огромен брой измервания. Една галактика може да има необичайни свойства по десетки причини. Когато учените разполагат с данни за милиони или милиарди галактики, могат да отсеят индивидуалните особености от закономерностите, които се отнасят до Вселената като цяло.

Hubble постави космоса под наблюдение

Когато Hubble бе изстрелян през 1990 г., космическите телескопи вече бяха позната идея. Hubble обаче превърна наблюдението над земната атмосфера в дългосрочна научна програма с огромно влияние върху астрономията.

За повече от 36 години Hubble е извършил над 1.7 милиона наблюдения, а данните му са използвани в повече от 23 000 научни публикации. Телескопът работи в ултравиолетовата, видимата и близката инфрачервена област и продължава да предоставя научни данни десетилетия след първоначално планирания му експлоатационен живот.

Сред най-значимите резултати от ерата на Hubble е наблюдателното потвърждение, че разширяването на Вселената се ускорява. Откритието поставя пред физиците въпрос, който остава нерешен: какво причинява това ускорение. За неизвестния компонент, свързан с него, използваме названието „тъмна енергия“, но името не обяснява неговата природа.

Roman ще се върне към този въпрос с много по-голям набор от наблюдения. Обсерваторията ще изучава свръхнови, разпределението на галактиките и малките изкривявания във формата им, причинени от гравитацията на материята по пътя на светлината.

Когато тези измервания бъдат събрани в достатъчно голям набор, учените ще могат да сравнят историята на космическото разширение с предвижданията на различни модели. Ако данните съвпаднат с очакваното, ще разполагаме с по-точна картина на космологията. Ако се появят устойчиви отклонения, те могат да насочат физиците към обяснение, което излиза извън днешните теории.

James Webb гледа по-дълбоко, Roman по-широко

James Webb е създаден около различна научна задача. Основното му огледало е с диаметър 6.5 метра, а инструментите му са оптимизирани за инфрачервени наблюдения. По-голямата събирателна площ позволява на Webb да регистрира много по-слаба светлина и да изследва далечни обекти, включително галактики от ранните етапи на Вселената.

Roman няма да се опитва да измести Webb в тази област. Двата телескопа са проектирани така, че възможностите им да се допълват. Webb може да отдели време за подробно изследване на конкретна далечна галактика, докато Roman ще може да претърси огромна площ от небето и да открие обекти, които заслужават по-задълбочено наблюдение.

Разликата в зрителното поле е впечатляваща. Roman ще прави изображения с около 50 пъти по-голяма площ от Webb. Това позволява на новата обсерватория да търси редки обекти и явления сред огромен брой звезди и галактики, вместо да се концентрира върху сравнително малка област. 

Hubble също остава важна част от тази картина. Неговите наблюдения в ултравиолетовата и видимата светлина допълват инфрачервените данни на Roman и Webb. Един и същ обект може да бъде наблюдаван от трите обсерватории и всяка от тях да разкрие различна част от неговата физика.

Тъмната енергия ще бъде търсена в милиарди галактики

Една от основните задачи на Roman е да помогне за изясняването на природата на тъмната енергия. За целта обсерваторията ще използва няколко независими метода, сред които наблюдение на свръхнови, изучаване на разпределението на галактиките и гравитационно лещене.

При гравитационното лещене масивен обект изкривява пространство-времето около себе си и променя пътя на светлината. Ако между нас и далечна галактика има голяма концентрация на материя, формата на галактиката може да бъде леко изкривена. Ефектът е почти незабележим при отделен обект, но при огромен брой галактики започва да разкрива разпределението на материята във Вселената.

Roman ще използва този метод в мащаб, който досега е бил трудно постижим. NASA очаква мисията да измерва светлината от около един милиард галактики през своя живот. Тези наблюдения ще позволят на астрономите да проследят едновременно разпределението на материята и историята на космическото разширение.

Двете величини са свързани. Начинът, по който материята се е събирала в галактики и галактични купове, зависи от това как Вселената се е разширявала. Ако наблюденията на Roman не съответстват на предвижданията на сегашните космологични модели, разликата може да се окаже ключът към разбирането на тъмната енергия.

Тъмната материя оставя следи върху светлината

Тъмната материя поставя различен проблем. Тя не излъчва светлина, която можем да регистрираме директно, но гравитацията ѝ влияе върху движението на звездите и галактиките и върху светлината, която преминава през големи структури по пътя към Земята.

Когато светлината от далечна галактика премине през област с голяма концентрация на маса, траекторията ѝ се изкривява. Формата на галактиката може да бъде променена с много малка величина, но ако ефектът се измери при огромен брой галактики, от него може да се направи извод за масата между тях и нас.

Така Roman ще помогне да се изгради карта на разпределението на материята в големи мащаби – включително на онази част от Вселената, която не можем да наблюдаваме пряко.

Светлината от далечните галактики се превръща в инструмент, с който астрономите могат да проследят невидимата структура на космоса.

В центъра на Млечния път Roman ще издирва хиляди планети

Roman има и задача, която излиза извън космологията – търсенето на екзопланети.

Една от основните му програми ще наблюдава около 200 милиона звезди в центъра на Млечния път. Огромната концентрация на звезди в тази област увеличава вероятността да бъдат уловени редки подреждания, при които гравитацията на една звезда временно усилва светлината на друга. 

Това явление се нарича гравитационно микролещене.

Представете си далечна звезда, чиято светлина пътува към Земята. Ако друга звезда премине почти точно пред нея, нейната гравитация изкривява пространство-времето и временно усилва видимата светлина на далечната звезда. Ако около по-близката звезда има планета, тя може да остави кратък допълнителен сигнал в тази промяна.

Методът е особено ценен, защото е чувствителен към планети, които се намират по-далеч от своите звезди – област, в която транзитният метод работи по-трудно. При транзита планетата преминава пред звездата си и причинява малък спад в наблюдаваната ѝ яркост.

NASA очаква Roman да открие повече от 1000 планети чрез гравитационно микролещене, а наблюденията му могат да разкрият още около 100 000 планети чрез транзити. Сред тях ще има светове на различни разстояния от звездите им, включително такива, които трудно могат да бъдат открити с други методи. 

Това ще даде възможност да се сравняват голям брой планетни системи и да се види доколко архитектурата на собствената ни Слънчева система е типична.

Roman ще опита да види планета до друга звезда

Обсерваторията носи коронаграфен инструмент, предназначен да демонстрира технология за директно изобразяване на планети около други звезди.

Проблемът е огромният контраст между звездата и планетата. Звездата може да бъде милиарди пъти по-ярка от планетата, която обикаля около нея. За да бъде регистрирана слабата планетна светлина, сиянието на звездата трябва да бъде потиснато.

Коронаграфът използва маски, специална оптика и деформируеми огледала, които могат да променят формата си с изключителна точност. Целта е светлината от звездата да бъде потисната достатъчно, за да се открои много по-слабият сигнал от планетата.

Roman няма да започне да снима близнаци на Земята. Инструментът е технологична демонстрация, която ще работи с по-големи и по-ярки планети. Ако системата покаже, че подобен контрол върху звездната светлина е възможен в космоса, това ще бъде важна стъпка към бъдещи обсерватории, способни да изобразяват по-малки планети в обитаемите зони на други звезди.

Небето ще бъде изследвано отново

Roman няма просто да преминава през огромни области от небето. Част от наблюдателните му програми ще се връщат към едни и същи полета многократно. Така учените ще могат да проследяват промени във времето – избухващи звезди, променливи обекти, планети, преминаващи пред своите звезди, и други краткотрайни явления.

Една снимка показва как изглежда дадена област в определен момент. Поредица от снимки показва какво се променя в нея.

Тук могат да се появят открития, които никой не е търсил преднамерено. Научната програма определя основните въпроси на мисията, но огромният архив ще съдържа и сигнали, които не са били предвидени при създаването ѝ.

Roman ще наблюдава толкова много звезди и галактики, че сред данните ще има редки явления и необичайни обекти, които ще изискват ново обяснение.

1.4 терабайта данни всеки ден

Милиардите наблюдения имат и друга цена: данните трябва да бъдат обработени. Roman ще изпраща към Земята около 1.4 терабайта научни данни всеки ден – най-високият обем от научни данни за астрофизична мисия на NASA досега.

Човешки екип не може да прегледа един по един всички обекти в подобен архив. Автоматизираната обработка, машинното обучение и изкуственият интелект ще помагат при откриването на промени, редки събития и потенциално интересни сигнали, след което астрономите ще могат да се съсредоточат върху конкретните цели. NASA предвижда научните данни да бъдат предоставяни публично след обработката им. 

Така част от научната стойност на Roman ще остане и след края на основната му мисия. Един и същ архив ще може да бъде използван за изследвания, които днес още не са формулирани.

Историята на Hubble показва колко дълго може да живее подобен архив. Повече от 1.7 милиона наблюдения продължават да бъдат използвани за нови научни публикации десетилетия след заснемането им.

С име на жена, помогнала да се роди Hubble

Nancy Grace Roman е първият главен астроном на NASA и една от ключовите фигури в развитието на американската космическа астрономия. Тя защитава идеята за изграждането на големи космически обсерватории и има важна роля в развитието на програмата, довела до Hubble. Заради приноса си получава прозвището „майката на Hubble“.

Днес името ѝ стои върху телескоп, който продължава тази история, но с различна задача.

Hubble даде възможност на астрономите да изучават отделни космически обекти с изключителна детайлност. James Webb разшири границата към по-слаби и по-древни обекти. Roman ще добави огромна наблюдателна площ и възможност едни и същи области да бъдат следени многократно.

Трите обсерватории ще работят едновременно и данните им могат да бъдат използвани заедно при изследването на едни и същи обекти.

Roman може да открие интересна галактика или необичайно събитие сред огромна област от небето. Hubble може да го наблюдава във видимата или ултравиолетовата светлина, а Webb да изследва същата цел в инфрачервения диапазон с по-голямата си събирателна способност. Данните от трите обсерватории могат да се допълват и да дадат по-пълна картина на един и същ обект. 

Roman вече пътува към L2. Следващите три месеца ще минат в разгръщане, проверка и настройка на системите, преди да започне научната му работа.

След това започва натрупването на данни. Милиарди галактики, стотици милиони звезди, хиляди планети и безброй промени в небето ще бъдат събрани в един огромен архив.

От него може да получим по-добър отговор на въпроса какво ускорява разширяването на Вселената. Може да разберем по-точно къде се намира невидимата материя. Може да видим колко необичайна е собствената ни планетна система.

А може да открием и нещо, което днес никой не търси.

И тогава най-ценният резултат от Roman може да се окаже не отговорът на някой от предварително зададените въпроси, а нов въпрос, който днес още не знаем как да зададем.