NASAs romerske mission for at undersøge kosmiske hemmeligheder ved hjælp af eksploderende stjerner

NASAs kommende Nancy Grace Roman Space Telescope vil se tusindvis af eksploderende stjerner kaldet supernovaer på tværs af store strækninger af tid og rum. Ved at bruge disse observationer, astronomer sigter mod at kaste lys over adskillige kosmiske mysterier, giver et vindue til universets fjerne fortid og diset nutid.

Romans supernovaundersøgelse vil hjælpe med at opklare modstridende målinger af, hvor hurtigt universet i øjeblikket udvider sig, og endda give en ny måde at undersøge fordelingen af ​​mørkt stof på, som kun kan påvises gennem sine gravitationsvirkninger. Et af missionens primære videnskabelige mål involverer at bruge supernovaer til at hjælpe med at fastlægge naturen af ​​mørk energi - det uforklarlige kosmiske pres, der fremskynder universets udvidelse.

Rummets største mysterium

"Mørk energi udgør størstedelen af ​​kosmos, men vi ved faktisk ikke hvad det er " sagde Jason Rhodes, en seniorforsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien. "Ved at indsnævre mulige forklaringer, Roman kunne revolutionere vores forståelse af universet - og mørk energi er blot et af de mange emner, som missionen vil udforske!"

Roman vil bruge flere metoder til at undersøge mørk energi. Den ene involverer undersøgelse af himlen for en speciel type eksploderende stjerne, kaldet en type Ia supernova.

Mange supernovaer opstår, når massive stjerner løber tør for brændstof, hurtigt kollapse under deres egen vægt, og derefter eksplodere på grund af stærke chokbølger, der driver ud af deres indre. Disse supernovaer forekommer cirka en gang hvert 50. år i vores Mælkevejsgalakse. Men beviser viser, at type Ia supernovaer stammer fra nogle binære stjernesystemer, der indeholder mindst én hvid dværg - den lille, varm kernerest af en sollignende stjerne. Type Ia supernovaer er meget sjældnere, sker omkring en gang hvert 500. år i Mælkevejen.

I nogle tilfælde, dværgen kan hæve materiale fra sin ledsager. Dette udløser i sidste ende en løbsk reaktion, der detonerer tyven, når den når et bestemt punkt, hvor den har fået så meget masse, at den bliver ustabil. Astronomer har også fundet beviser, der understøtter et andet scenarie, involverer to hvide dværge, der spiraler mod hinanden, indtil de smelter sammen. Hvis deres samlede masse er høj nok til at det fører til ustabilitet, de, også, kan producere en type Ia supernova.

Disse eksplosioner topper på en lignende kendt iboende lysstyrke, at lave type Ia supernovaer såkaldte standardlys - genstande eller begivenheder, der udsender en bestemt mængde lys, giver videnskabsfolk mulighed for at finde deres afstand med en ligetil formel. På grund af dette, astronomer kan bestemme, hvor langt væk supernovaerne er ved blot at måle, hvor lyse de ser ud.

Astronomer vil også bruge Roman til at studere lyset fra disse supernovaer for at finde ud af, hvor hurtigt de ser ud til at bevæge sig væk fra os. Ved at sammenligne, hvor hurtigt de trækker sig tilbage på forskellige afstande, videnskabsmænd vil spore kosmisk ekspansion over tid. Dette vil hjælpe os med at forstå, om og hvordan mørk energi har ændret sig gennem universets historie.

"I slutningen af ​​1990'erne, forskere opdagede, at udvidelsen af ​​universet accelererede ved hjælp af snesevis af type Ia supernovaer, " sagde Daniel Scolnic, en assisterende professor i fysik ved Duke University i Durham, North Carolina, som er med til at designe Romans supernovaundersøgelse. "Romer vil finde dem i tusindvis, og meget længere væk end de fleste af dem, vi hidtil har set."

Tidligere type Ia supernova undersøgelser har koncentreret sig om det relativt nærliggende univers, hovedsagelig på grund af instrumentbegrænsninger. Romans infrarøde syn, gigantisk synsfelt, og udsøgt følsomhed vil dramatisk udvide søgningen, trækker de kosmiske gardiner langt nok til side til at tillade astronomer at få øje på tusindvis af fjerne type Ia supernovaer.

Missionen vil studere mørk energis indflydelse i detaljer over mere end halvdelen af ​​universets historie, da den var mellem omkring fire og 12 milliarder år gammel. At udforske denne relativt uprøvede region vil hjælpe videnskabsmænd med at tilføje afgørende brikker til det mørke energipuslespil.

"Type Ia supernovaer er blandt de vigtigste kosmologiske sonder, vi har, men de er svære at se, når de er langt væk, " sagde Scolnic. "Vi har brug for ekstremt præcise målinger og et utroligt stabilt instrument, hvilket er præcis, hvad Roman vil give."

Hubble konstant larm

Ud over at give et krydstjek med missionens andre mørkeenergiundersøgelser, Romans type Ia supernovaobservationer kunne hjælpe astronomer med at undersøge et andet mysterium. Uoverensstemmelser bliver ved med at dukke op i målinger af Hubble-konstanten, som beskriver, hvor hurtigt universet i øjeblikket udvider sig.

Forudsigelser baseret på tidlige universdata, fra omkring 380, 000 år efter Big Bang, indikerer, at kosmos i øjeblikket bør udvide sig med omkring 42 miles per sekund (67 kilometer per sekund) for hver megaparsec af afstand (en megaparsec er omkring 3,26 millioner lysår). Men målinger af det moderne univers indikerer hurtigere ekspansion, mellem cirka 43 til 47 miles per sekund (70 til 76 kilometer per sekund) per megaparsec.

Roman vil hjælpe ved at udforske forskellige potentielle kilder til disse uoverensstemmelser. Nogle metoder til at bestemme, hvor hurtigt universet nu udvider sig, er afhængige af type Ia supernovaer. Selvom disse eksplosioner er bemærkelsesværdigt ens, Derfor er de værdifulde værktøjer til at måle afstande, der findes små variationer. Romans omfattende undersøgelse kunne forbedre deres brug som standardlys ved at hjælpe os med at forstå, hvad der forårsager variationerne.

Missionen skulle afsløre, hvordan egenskaberne af type Ia supernovaer ændrer sig med alderen, da den vil se dem på tværs af et så stort træk af kosmisk historie. Roman vil også se disse eksplosioner forskellige steder i deres værtsgalakser, som kunne give fingerpeg om, hvordan en supernovas miljø ændrer dens eksplosion.

Oplysende mørkt stof

I et papir fra 2020, et hold ledet af Zhongxu Zhai, a postdoctoral research associate at Caltech/IPAC in Pasadena, Californien, showed that astronomers will be able to glean even more cosmic information from Roman's supernova observations.

"Roman will have to look through enormous stretches of the universe to see distant supernovae, " said Yun Wang, a senior research scientist at Caltech/IPAC and a co-author of the study. "A lot can happen to light on such long journeys across space. We've shown that we can learn a lot about the structure of the universe by analyzing how light from type Ia supernovae has been bent as it traveled past intervening matter."

Anything with mass warps the fabric of space-time. Light travels in a straight line, but if space-time is bent—which happens near massive objects—light follows the curve. When we look at distant type Ia supernovae, the warped space-time around intervening matter—such as individual galaxies or clumps of dark matter—can magnify the light from the more distant explosion.

By studying this magnified light, scientists will have a new way to probe how dark matter is clustered throughout the universe. Learning more about the matter that makes up the cosmos will help scientists refine their theoretical model of how the universe evolves.

By charting dark energy's behavior across cosmic history, homing in on how the universe is expanding today, and providing more information on mysterious dark matter, the Roman mission will deliver an avalanche of data to astronomers seeking to solve these and other longstanding problems. With its ability to help solve so many cosmic mysteries, Roman will be one of the most important tools for studying the universe we've ever built.

The Nancy Grace Roman Space Telescope is managed at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, with participation by NASA's Jet Propulsion Laboratory and Caltech/IPAC in Southern California, Space Telescope Science Institute i Baltimore, and science teams comprising scientists from various research institutions.