NASA готується до запуску телескопа Nancy Grace Roman Space Telescope вже восени 2026 року. Одна з трьох основних програм спостережень місії — High-Latitude Wide-Area Survey — стане найширшим інфрачервоним оглядом неба за всю історію астрономії. За її результатами вчені сподіваються отримати відповіді на питання про темну матерію і темну енергію — два найбільших нез'ясованих явища сучасної космології.

Огляд охопить понад 5 000 квадратних градусів неба, це близько 12% усієї небесної сфери. Телескоп спостерігатиме далеко від запиленої площини Чумацького Шляху — звідси й назва "high-latitude" ("високоширотний"), адже прилад дивитиметься вгору і назовні від галактики, а не крізь неї, щоб отримати найчистіший вигляд на далекий космос.

П'ять тисяч квадратних градусів за півтора року

Весь огляд займе трохи менше півтора року. За цей час Roman отримає зображення якості Hubble, але на площі, яку жоден телескоп раніше не покривав з такою деталізацією.

За словами Девіда Вайнберга, професора астрономії в Ohio State University, який брав активну участь у розробці програми огляду, навіть одне-єдине наведення телескопа потребує цілої стіни з 4K-телевізорів, щоб показати зображення в повній роздільності. Щоб відобразити весь огляд одразу, знадобилося б близько півмільйона таких екранів — цього вистачило б, щоб укрити 200 футбольних полів або скельну стіну Ель-Капітана.

Дані огляду поєднають два методи — зображення та спектроскопію. Це дозволить вченим знайти галактики, розкидані по всій історії Всесвіту, і використати їх як маркери для вивчення невидимої темної матерії та темної енергії, тиску, який, здається, прискорює розширення космосу.

Космічне прискорення — найбільша загадка космології, а можливо, і всієї фізики. Десь на масштабах мільярдів світлових років гравітація починає не притягувати, а відштовхувати. Широкоохопний огляд Roman дасть критично важливі підказки для розв'язання цієї загадки, бо дозволить виміряти історію формування космічних структур і темп раннього розширення набагато точніше, ніж це можливо сьогодні.David Weinberg, професор астрономії, Ohio State University

Гравітаційні лінзи покажуть невидиму матерію

Будь-яка маса викривляє простір-час. Надзвичайно масивні об'єкти, наприклад скупчення галактик, викривляють його настільки, що спотворюють вигляд об'єктів, розташованих далі за ними. Це явище називається гравітаційним лінзуванням.

Райан Хікокс, професор Dartmouth College і співголова комітету, що розробляв дизайн огляду, порівнює це з поглядом крізь кімнату кривих дзеркал: світло далеких галактик може розмазуватися, дублюватися або, за вдалого вирівнювання, збільшуватися, ніби природним телескопом.

Огляд Roman буде достатньо великим і чітким, щоб вивчати цей ефект у малому масштабі — тобто побачити, як окремі згустки темної матерії викривляють вигляд далеких галактик. На основі цих даних астрономи створять детальну карту розподілу видимої й невидимої матерії у Всесвіті.

Телескоп зафіксує понад мільярд галактик, і приблизно 600 мільйонів із них будуть достатньо детальними для вивчення слабкого лінзування. Це явище настільки тонке, що його неможливо помітити в окремій галактиці — лише статистичний аналіз мільйонів об'єктів дозволяє його виявити. Завдяки цьому Roman простежить, як зростали структури Всесвіту в тривимірному просторі — від часів, близьких до Великого вибуху, до сьогодення.

Олів'є Доре, старший науковий співробітник Jet Propulsion Laboratory NASA, який очолює команду з космологічних досліджень зображень Roman, зазначає, що якість даних на всій площі огляду буде настільки високою, що це майже напевно призведе до неочікуваних відкриттів, які виходять далеко за межі теми темної енергії.

Акустичні хвилі підказують швидкість розширення Всесвіту

Окрім зображень, огляд Roman отримає спектри приблизно 20 мільйонів галактик. Аналіз спектрів показує, як саме розширювався Всесвіт у різні космічні епохи: коли об'єкт віддаляється, довжини хвиль його світла розтягуються і зміщуються в бік червоного кінця спектра. Це явище називається червоним зсувом.

Визначивши, з якою швидкістю галактики віддаляються від нас, астрономи зможуть встановити відстань до них — чим сильніше зміщений спектр, тим далі об'єкт. На основі цього вчені побудують тривимірну карту галактик у межах огляду на відстані до 11,5 мільярда світлових років.

Ця карта покаже застиглі відлуння давніх звукових хвиль, що колись поширювалися крізь первісне плазмове море Всесвіту. Перші приблизно півмільйона років свого існування космос був гарячою й майже однорідною плазмою із заряджених частинок. Рідкісні невеликі згустки притягували до себе речовину гравітаційно, але через високу температуру матерія не могла злипатися й відскакувала назад. Це протиборство створювало хвилі тиску — по суті, звукові хвилі, — які поширювалися крізь плазму.

З часом Всесвіт охолов, хвилі згасли, а візерунок, який вони залишили, застиг на місці — так звані баріонні акустичні осциляції. Оскільки саме в цих місцях зібралося трохи більше речовини, там згодом сформувалося дещо більше галактик, ніж навколо. Порівнюючи розмір цих структур у різні космічні епохи, астрономи зможуть простежити темп розширення Всесвіту з точністю, за оцінками, у десять разів вищою, ніж дозволяють сьогоднішні дані. Це наблизить відповідь на питання, чому Всесвіт розширюється з прискоренням і чи змінювалася сила темної енергії з часом.