Roman startuje w sobotę — miliard galaktyk i tajemnica ciemnej energii

W sobotę wystartuje Teleskop Kosmiczny Roman, który ma zająć się największym nierozwiązanym problemem pomiarowym w kosmologii: dwie niezależne metody pomiaru tempa rozszerzania się Wszechświata różnią się o 8 procent. Pomiar mikrofalowego promieniowania tła – światła sprzed 380 000 lat po Wielkim Wybuchu – daje wartość około 67 kilometrów na sekundę na megaparsek. Pomiar gwiazd cefeid i supernowych typu Ia w pobliskim Wszechświecie wskazuje na około 73. Różnica między nimi wynosi od 4 do 6 odchyleń standardowych. W fizyce to nie jest błąd zaokrąglenia. To sygnał, że coś jest nie tak w standardowym modelu.

Nancy Grace Roman Space Telescope, który wystartuje o 7:26 czasu wschodniego z Kennedy Space Center na rakiecie SpaceX Falcon Heavy, jest najpotężniejszym instrumentem zaprojektowanym do odkrycia, co to takiego. Dzięki zwierciadłu o średnicy 2,4 metra – takiej samej jak w Hubble’u – i kamerze bliskiej podczerwieni o rozdzielczości 300 megapikseli, która obejmuje fragment nieba 200 razy większy niż pole widzenia Hubble’a, Roman może tworzyć wielkoskalowe mapy rozmieszczenia galaktyk, których wymaga obecne napięcie.

Dowody, które złamały standardowy model

Ciemna energia została zidentyfikowana w 1998 roku, kiedy dwa niezależne zespoły mierzące odległości i prędkości ucieczki supernowych typu Ia odkryły, że odległe galaktyki oddalają się szybciej, niż pozwalałoby na to spowalnianie ekspansji pod wpływem grawitacji. Obserwacja ta przyniosła Nagrodę Nobla w 2011 roku i wprowadziła do standardowego modelu kosmologii stałą kosmologiczną Λ. Λ zakłada, że ciemna energia jest stała pod względem gęstości i charakteru – jest niezmienną właściwością samej przestrzeni.

Polecana lekturaDESI nie szukał luk w modelu standardowym. Jego mapy je znalazły.

Dwa najnowsze odkrycia skomplikowały ten obraz. Instrument Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) opublikował wyniki wskazujące, że barionowe oscylacje akustyczne – okresowe wzory gęstości zamrożone w kosmicznej sieci od 380 000 lat po Wielkim Wybuchu – lepiej pasują do danych, jeśli siła ciemnej energii zmieniała się w czasie. Odkrycie to nie dowodzi zmienności; to jedynie wskazówka, a przypadek statystyczny nie jest jeszcze rozstrzygający. Jest to jednak najpoważniejsze empiryczne wyzwanie dla Λ od czasu Nobla.

Napięcie Hubble’a dodaje drugi punkt nacisku. Jeśli standardowy model jest poprawny, zarówno pomiary wczesnego Wszechświata, jak i lokalne powinny zbiegać się do tej samej wartości tempa ekspansji. Tak się nie dzieje. Najnowsza analiza z wykorzystaniem cefeid skalibrowanych przez JWST potwierdza lokalną wartość bliską 73 km/s/Mpc. Wartość z CMB utrzymuje się w okolicach 67. Rozbieżność nie zmniejszyła się wraz z większą ilością danych – wzrosła.

Co będzie mierzyć Roman i jak

Roman podejdzie do problemu ciemnej energii trzema niezależnymi kanałami.

Pierwszym są supernowe typu Ia, które działają jako standaryzowalne znaczniki odległości: każda z nich osiąga przewidywalną szczytową jasność, która ujawnia, jak daleko się znajduje. Porównanie odległości z przesunięciem ku czerwieni – o ile światło galaktyki zostało rozciągnięte przez ekspansję Wszechświata – daje tempo ekspansji w danej epoce kosmicznej. Oczekuje się, że Roman odkryje tysiące supernowych rocznie w znacznie szerszym zakresie przesunięcia ku czerwieni niż naziemne przeglądy, mapując historię przyspieszania Wszechświata z precyzją, jakiej obecne instrumenty nie są w stanie osiągnąć.

Drugim kanałem są barionowe oscylacje akustyczne. Te fale dźwiękowe z wczesnego Wszechświata pozostawiły charakterystyczną skalę odciśniętą w sposobie grupowania się galaktyk – statystyczną preferencję dla par galaktyk oddalonych o około 490 milionów lat świetlnych. Ta skala działa jak „standardowa linijka”: pomiar, jak duża wydaje się przy różnych przesunięciach ku czerwieni, pozwala zrekonstruować historię ekspansji Wszechświata w każdej epoce kosmicznej. Szerokie pole widzenia Romana pozwoli na mapowanie milionów galaktyk, zapewniając moc statystyczną, której obecne przeglądy nie mogą dorównać.

Trzecim jest słabe soczewkowanie grawitacyjne: niewielkie zniekształcenie kształtów tła galaktyk przez masę struktury na pierwszym planie. Soczewkowanie śledzi, jak materia skupiała się w czasie, co jest wrażliwe zarówno na gęstość ciemnej materii, jak i zachowanie ciemnej energii. W połączeniu z danymi z supernowych i BAO, soczewkowanie zapewnia krzyżową kontrolę, która może wyizolować, czy jakakolwiek rozbieżność w historii ekspansji jest rzeczywista, czy instrumentalna.

W porównaniu z tym, co było wcześniej

Kamera podczerwona Hubble’a pokrywa około 10 minut kwadratowych na ekspozycję. Roman pokrywa około 0,28 stopnia kwadratowego – mniej więcej 100 razy większy obszar przy porównywalnej rozdzielczości i głębokości. Jego instrument szerokokątny będzie widzieć fragmenty nieba, których zbadanie Hubble’owi zajęłoby lata, w ciągu tygodni. JWST oferuje niezwykłą głębię, ale pole widzenia podobne do Hubble’a; JWST to mikroskop, Roman to szerokokątny obiektyw. Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej, wystrzelony w 2023 roku i już zwracający dane, obejmuje szersze pole niż Roman, ale o niższej rozdzielczości przestrzennej i głębokości; obie misje mają się uzupełniać.

Różnica w skali jest podstawowym argumentem misji. Pomiar właściwości ciemnej energii z precyzją potrzebną do odróżnienia prawdziwej stałej kosmologicznej od ewoluującej wymaga statystycznych próbek milionów obiektów. Napięcie Hubble’a nie może zostać rozwiązane za pomocą małych przeglądów – wymaga spisu powszechnego.

Czego Roman nie rozstrzygnie

Pomiary Romana znacznie zaostrzą ograniczenia dotyczące ciemnej energii, ale nie rozwiążą każdego pytania, które się z nią wiąże. Instrument nie może bezpośrednio wykryć ciemnej energii – mierzy jej efekty na obserwowalnych wielkościach, a te pomiary niosą ze sobą własne niepewności systematyczne. Kalibracja supernowych typu Ia, na przykład, opiera się na pomiarach odległości cefeid, które z kolei zależą od tego, jak właściwości pulsacyjne tych gwiazd są wpływane przez ich środowisko chemiczne. Ten łańcuch kalibracji jest dokładnie tam, gdzie obecnie znajduje się napięcie Hubble’a.

Jeśli dane Romana zawęzą lukę H0 – zbliżając lokalne pomiary i pomiary wczesnego Wszechświata do zgodności – będzie to sugerować, że napięcie wynikało z nieuwzględnionego błędu systematycznego we wcześniejszych pomiarach. Jeśli luka utrzyma się lub poszerzy po ulepszonej kalibracji Romana, będzie to mocny dowód, że standardowy model jest rzeczywiście niekompletny. Taki wyniki byłby bardziej znaczący, ale sam w sobie nie nazwałby tego, co jest nie tak – tylko potwierdziłby, że coś jest nie tak.

Jason Rhodes, kosmolog z Jet Propulsion Laboratory NASA zaangażowany w misję, opisał obecny krajobraz wprost: „Zaczynamy dostrzegać napięcia między pomiarami wczesnego Wszechświata a pomiarami późnego Wszechświata”. Roman został zaprojektowany specjalnie po to, aby te napięcia albo zniknęły, albo stwardniały w potwierdzoną anomalię.

Rozruch zajmie około 90–100 dni po starcie; operacje naukowe mają rozpocząć się na początku 2027 roku. Teleskop będzie pracował w punkcie L2 Lagrange’a, około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, gdzie już orbituje JWST. Podstawowa misja trwa pięć lat.

Najczęstsze pytania o teleskop Roman i ciemną energię

Czym dokładnie jest ciemna energia?
Ciemna energia to nazwa nadana nieznanej przyczynie przyspieszającej ekspansji Wszechświata. Według obecnych szacunków stanowi około 68 procent całkowitej zawartości energii Wszechświata, ale jej fizyczna natura pozostaje nieznana. Najprostszy model traktuje ją jako stałą gęstość energii inherentną dla pustej przestrzeni. Bardziej złożone modele pozwalają jej zmieniać się w czasie lub różnić się charakterem od stałej kosmologicznej. Roman został zaprojektowany, aby odróżnić te możliwości.

Czym jest napięcie Hubble’a?
Stała Hubble’a (H0) mierzy, jak szybko Wszechświat obecnie się rozszerza. Dwie szerokie kategorie pomiarów – jedna wykorzystująca mikrofalowe promieniowanie tła jako punkt wyjścia, druga używająca pobliskich świec standardowych, takich jak gwiazdy cefeid i supernowe – konsekwentnie dają różne wartości, odpowiednio około 67 i 73 km/s/Mpc. Rozbieżność jest statystycznie na tyle znacząca, że nie można jej wiarygodnie wyjaśnić przypadkiem, ale jej przyczyna nie została wyjaśniona.

Czym różni się Roman od Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba?
JWST jest zoptymalizowany do głębokich, wąskopolowych obserwacji pojedynczych obiektów z niezwykłą czułością. Roman ma takie samo zwierciadło jak Hubble, ale pole widzenia od 100 do 200 razy większe; wymienia głębię na szerokość. Oba teleskopy są zaprojektowane do współpracy: Roman znajduje i prowadzi przeglądy na dużą skalę, JWST kontynuuje szczegółowe obserwacje konkretnych celów.

Dlaczego ciemna energia ma znaczenie poza kosmologią?
Ciemna energia determinuje długoterminowy los Wszechświata. Jeśli jest rzeczywiście stała, Wszechświat będzie przyspieszał w nieskończoność, ostatecznie oddzielając galaktyki poza zasięg swojego światła. Jeśli ciemna energia zmienia się w czasie – lub odwraca – trajektoria się zmienia. Pomiary Romana określą, który z tych scenariuszy jest fizycznie możliwy.

Jeśli napięcie Hubble’a przetrwa badanie Romana, kosmologia będzie potrzebować nowego modelu – takiego, który wyjaśni, dlaczego najwcześniejsze i najnowsze sygnatury ekspansji Wszechświata przestały być zgodne.

Tagi: nasa, cosmology, Dark Matter, dark energy, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

Więcej podobnych

Czerwone punkty JWST to czarne dziury rosnące 10 razy za szybko

1775°C dzieli świt od zmierzchu na tej obcej planecie — JWST po raz pierwszy zmapował przyczynę

Najenergetyczniejsza cząstka-duch IceCube pochodziła z ukrytej w pyle fabryki gwiazd

Jowisz rozpędza elektrony niemal do prędkości światła, tak jak supernowe

JWST odkrywa: wczesne galaktyki kryją czterokrotnie więcej masy, niż dotąd mierzono

Webb zmierzył czarną dziurę sprzed 13 miliardów lat — powstała przed własną galaktyką