Teleskop Nancy Grace Roman – nowe oczy na Wszechświat [ANALIZA]

Wprowadzenie do tematyki teleskopów kosmicznych

W ciągu ostatnich dekad teleskopy kosmiczne wpłynęły na transformację postrzegania Wszechświata przez globalne społeczeństwo. Wysłany do przestrzeni kosmicznej w 1990 roku Kosmiczny Teleskop Hubble’a (ang. Hubble Space Telescope – HST) pozwolił ludzkości spojrzeć poza atmosferę w niespotykanej wcześniej rozdzielczości i w zakresie długości fal niedostępnych z powierzchni Ziemi. Jego obrazy galaktyk, mgławic, odległych supernowych oraz filarów tworzenia gwiazd stały się ikonami nauki i narzędziem odkryć, wśród których warto wyróżnić przyspieszającą ekspansję Wszechświata.

Ponad trzy dekady później Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (ang. James Webb Space Telescope – JWST) kontynuuje tę misję na nowym poziomie. Dzięki zaawansowanym instrumentom działającym głównie w zakresie podczerwonym, JWST odsłonił struktury najwcześniejszych galaktyk i zainicjował epokę precyzyjnych badań atmosfer egzoplanet. Oba teleskopy ustanowiły standardy, które na lata określiły kierunek rozwoju współczesnej astrofizyki.

Na tle obu tych przełomowych urządzeń wyłania się kolejny projekt NASA, czyli Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman (ang. Nancy Grace Roman Space Telescope). Został on nazwany na cześć Nancy Roman uznanej za pionierkę kobiecej obecności w amerykańskim programie kosmicznym. Była również pierwszą kobietą na stanowisku kierowniczym w NASA i główną orędowniczką projektu Hubble’a w latach 60. XX wieku. Teleskop Roman ma kontynuować dziedzictwo swoich poprzedników, ale w nowy, bardziej statystyczny sposób przez przegląd obszarów nieba w wysokiej rozdzielczości i wyjątkowej czułości w bliskiej podczerwieni.

Misja Roman generuje szansę na rozwiązanie jednej z największych zagadek współczesnej astrofizyki, nawiązującej do zdefiniowania, czym właściwie jest ciemna energia. Teleskop ma stworzyć mapy rozkładu materii na kosmiczną skalę, umożliwić obserwację setek tysięcy supernowych typu Ia i wykrywać subtelne efekty soczewkowania grawitacyjnego.

Zakłada się, że za pośrednictwem zaawansowanego przeglądu mikrosoczewkowania grawitacyjnego, obiekt będzie w stanie odkryć nowe egzoplanety. Aby nie powielać misji powierzonej JWST planuje się obserwację „wolnych planet”, czyli pozbawionych gwiazd macierzystych.

Główne cele naukowe misji Kosmicznego Teleskopu Nancy Grace Roman

Jednym z podstawowych pytań stawianych w obszarze astrofizyki jest postępująca i przyspieszająca ekspansja Wszechświata. Zjawisko to zostało odkryte pod koniec lat 90. XX wieku podczas prowadzenia obserwacji odległych supernowych typu Ia przez dwa niezależne zespoły badawcze. Wyniki tych badań doprowadziły do wprowadzenia pojęcia ciemnej energii, która dominuje w bilansie energetycznym kosmosu, odpowiadając za ponad 68% jego całkowitej zawartości.

Planuje się, że Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman będzie narzędziem do zbadania właściwości tej enigmatycznej i niewyjaśnionej energii. W odróżnieniu od poprzednich misji, Roman połączy kilka metod obserwacyjnych w ramach jednej platformy.

Przewiduje się, że będzie realizował pomiar jasności supernowych typu Ia, których obserwacja na różnych etapach historii Wszechświata pozwala określić, jak zmieniała się prędkość jego rozszerzania. Teleskop będzie w stanie wykryć i sklasyfikować nawet kilkaset tysięcy supernowych, w tym bardzo odległych, trudnych do zaobserwowania innymi teleskopami. Ponadto, prowadzony będzie pomiar oscylacji akustycznych barionów, stanowiących regularne wzorce w rozmieszczeniu galaktyk, które służą niczym standardowa linijka do mierzenia odległości kosmicznych.

Drugim filarem naukowym misji Roman będzie detekcja egzoplanet za pomocą mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Jest to technika, która dotąd była stosowana przede wszystkim w warunkach naziemnych, lecz jej kompleksowy potencjał zostanie ujawniony dopiero w przestrzeni kosmicznej.

Podczas mikrosoczewkowania dąży się do tego, aby tymczasowo wzmocnić światło odległej gwiazdy poprzez grawitacyjne pole obiektu przechodzącego przed nią. Może to być zarówno inna gwiazda, jak i planeta. Charakterystyczne, krótkotrwałe „piki jasności” rejestrowane przez detektory pozwalają wywnioskować masę i odległość obiektu soczewkującego, a także obecność towarzyszącej mu planety.

Technika ta reprezentuje kilka istotnych zalet. Co ważne, pozwala wykrywać planety znajdujące się w dużych odległościach od macierzystych gwiazd, których metody tranzytowa i spektroskopowa nie są w stanie uchwycić. Ponadto, umożliwia identyfikację planet swobodnych, rozumianych jako obiekty nie krążące wokół żadnej gwiazdy i przemierzające galaktykę samotnie. Dodatkowo, pozostaje wrażliwa na planety o małej masie, nawet mniejsze od Ziemi.

Trzecim obszarem misji Roman będzie mapowanie Wszechświata w bliskiej podczerwieni za pomocą zaawansowanego instrumentu Wide Field Instrument (WFI). W odróżnieniu od Teleskopu Hubble’a, który obserwuje niewielkie wycinki nieba, Roman będzie w stanie objąć pole widzenia nawet 100 razy większe zachowując podobną rozdzielczość kątową. Dzięki temu możliwe będzie stworzenie obszernego katalogu galaktyk, dostarczając danych o ich rozkładzie, morfologii, aktywności gwiazdotwórczej i innych właściwościach fizycznych.

Szczególnie cenne będą badania dotyczące galaktyk na dużych przesunięciach ku czerwieni, które pozwolą prześledzić proces formowania się struktur kosmicznych od najwcześniejszych epok. Równie interesujące będzie zweryfikowanie struktury Drogi Mlecznej, w tym centralnego wypuklenia, ramion spiralnych i halo gwiazdowego. Warto zwrócić uwagę na opcję skatalogowania populacji brązowych i białych karłów trudnych do zaobserwowania z Ziemi.

Innowacyjna architektura techniczna Kosmicznego Teleskopu Nancy Grace Roman

Oprócz postawionych celów naukowych, misja Roman koncentruje się również na kosmologii i poszukiwaniu egzoplanet metodami pośrednimi. Urządzenie stanowi platformę testową dla przyszłych, bardziej zaawansowanych obserwatoriów. Jego konstrukcja i wyposażenie technologiczne stawiają go w pozycji demonstratora rozwiązań, które będą niezbędne do prowadzenia bezpośrednich obserwacji planet podobnych do Ziemi w drugiej połowie XXI wieku.

W nawiązaniu do komponentów technicznych Teleskopu Roman, najbardziej zaawansowanym eksperymentalnym urządzeniem na jego pokładzie będzie Coronagraph Instrument (CGI). Stanowi on prototypowy koronograf wysokiego kontrastu. Został zaprojektowany, aby tłumić światło gwiazdy macierzystej i ujawniać bardzo słabe obiekty znajdujące się w jej bezpośrednim sąsiedztwie.

Szacuje się, że tłumienie światła w CGI osiągnie wartość nawet do 10⁹. Oznacza to, że jasność gwiazdy zostaje zredukowana miliard razy. Zdolności te są niezwykle ważne, gdyż światło pochodzące z gwiazdy jest zwykle miliony razy jaśniejsze niż odbite światło od planety. Wobec tego, niezbędne staje się zastosowanie precyzyjnych masek optycznych, deformowalnych zwierciadeł oraz ekstremalnie stabilnej optyki. CGI będzie także pierwszym koronografem współpracującym z pełnym systemem korekcji fal czołowych w przestrzeni kosmicznej.

Oprócz koronografu, w budowie teleskopu zostaną wykorzystane najnowocześniejsze dostępne rozwiązania optyczne i detekcyjne. W tym miejscu należy wymienić zwierciadło główne o średnicy 2,4 metra. Jego konstrukcja jest niemal identyczna jak w przypadku Hubble’a, ale w połączeniu z nowoczesną optyką wtórną i instrumentami detekcyjnymi osiąga znacznie większą wydajność. Co istotne, zwierciadło to zostało przekazane NASA przez amerykański wywiad i stanowiło bazę do zaprojektowania całej misji znacznie obniżając jej koszty.

Ważnym komponentem są detektory HgCdTe, czyli tellurek kadmowo–rtęciowy. Pod nazwą tą kryją się najnowszej generacji sensory działające w zakresie bliskiej podczerwieni (0,5–2,3 mikrometra), zdolne do jednoczesnej rejestracji sygnałów z bardzo dużego pola widzenia. Zespół detektorów w instrumencie WFI będzie w stanie zbierać dane z obszaru nieba około 0,28 stopnia kwadratowego, co odpowiada polu widzenia stu Teleskopów Hubble’a.

W ramach technologii optycznych i detekcyjnych trzeba wspomnieć o układzie aktywnej stabilizacji obrazu. Bazuje on na żyroskopach i czujnikach położenia, pozwalając na utrzymanie ekstremalnej precyzji kierunku obserwacji. Jest to niezbędne dla długofalowych obserwacji soczewkowania grawitacyjnego oraz poprawnego działania koronografu. Całość wrażliwych elementów w tej części architektury technicznej spaja system chłodzenia pasywnego. Stwarza on warunki do pracy instrumentów w krytycznie niskich temperaturach poniżej 150 Kelwinów [K].

Należy podkreślić, że Teleskop Roman będzie jednym z najbardziej autonomicznych teleskopów kosmicznych. Z uwagi na konieczność obserwacji dużych obszarów nieba w czasie rzeczywistym, system pokładowy będzie zdolny do dynamicznego planowania obserwacji. Towarzyszyć mu będą możliwości automatycznego rozpoznawania obiektów i przekazywania danych o potencjalnie interesujących zdarzeniach do naukowców przebywających na Ziemi.

Znaczenie misji Roman dla nauki i współpracy międzynarodowej

Pomimo że Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman jest inicjatywą amerykańskiej agencji, jej znaczenie i wpływ wykraczają daleko poza granice Stanów Zjednoczonych Ameryki. W rzeczywistości może stać się jednym z wiodących narzędzi światowej astrofizyki, służąc badaczom z całego globu. Misja ta uosabia współczesny paradygmat nauki kosmicznej, oparty na otwartości interdyscyplinarności oraz współpracy międzynarodowej.

W 2023 roku Europejska Agencja Kosmiczna (ang. European Space Agency – ESA) z sukcesem wystrzeliła Teleskop Euclid. Obiekt ten przeznaczono do badania ciemnej energii i ciemnej materii poprzez pomiary kształtów i położenia miliardów galaktyk. Euclid funkcjonuje w zakresie widzialnym oraz bliskiej podczerwieni, wykorzystując dwie metody, takie jak soczewkowanie grawitacyjne wraz z rozkładem wielkoskalowym materii.

Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman będzie prowadził badania o podobnej tematyce, lecz z inną metodologią i większą precyzją. Jego instrumenty zapewnią wyższą rozdzielczość kątową, czułość w podczerwieni oraz dokładniejszy pomiar odległości kosmologicznych. W praktyce przekłada się to na fakt, że Roman uzupełni dane z Euclida, dostarczając szczegółowego kontekstu oraz walidacji statystycznej. Wspólna analiza danych z obu misji stworzy kompleksowy obraz ewolucji struktur kosmicznych w ujęciu geometrycznym i dynamiki rozszerzania Wszechświata.

Teleskop Roman będzie również doskonałym partnerem dla Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który skupia się na wnikliwych badaniach, ale w wąskim polu widzenia. JWST stanowi idealne narzędzie do obserwacji atmosfer egzoplanet, wewnętrznych struktur galaktyk i składu chemicznego mgławic. Nie został jednak przystosowany do tworzenia szerokich przeglądów nieba. Za pomocą zwiększonego pola widzenia i wysokiej rozdzielczości Teleskop Roman będzie mógł identyfikować obiekty i zjawiska warte dokładniejszych badań. Przy okazji zyska zdolność tworzenia map, które posłużą jako baza dla kampanii obserwacyjnych prowadzonych przez JWST.

Jedną z ambicji współczesnych misji podejmowanych przez NASA jest polityka otwartego dostępu do danych. Roman nie będzie wyjątkiem, a jego dane będą udostępniane w czasie niemal rzeczywistym poprzez archiwum MAST (ang. Mikulski Archive for Space Telescopes), gdzie każdy zainteresowany badacz będzie mógł prowadzić własne analizy.

Co więcej, NASA planuje rozbudować programy General Observer i Archival Research, które umożliwią naukowcom z całego świata składanie wniosków o czas obserwacyjny lub granty na analizę już zebranych danych. To podejście sprzyja inkluzywności nauki, wspiera młodych badaczy i instytucje z krajów rozwijających się, a także powstawaniu interdyscyplinarnych zespołów badawczych.

Aspekty instytucjonalne i przemysłowe towarzyszące Teleskopowi Roman

Warto przytoczyć wkład instytucjonalny i przemysłowy podjęty w projekcie Teleskopu Roman. Uczestniczy w nim szereg instytucji badawczych oraz technologicznych nie tylko z USA, ale także z Europy i Azji. Jednym z takich podmiotów jest ESA, której państwa członkowskie wnoszą wkład chociażby w rozwój oprogramowania, analizy danych i przygotowania katalogów astrometrycznych dedykowanych Kosmicznemu Teleskopowi Nancy Grace Roman.

Urządzenie to stanowi również ważny impuls dla globalnego sektora przemysłowego w zakresie zaawansowanych detektorów, układów optycznych, systemów stabilizacji i zarządzania danymi. Doświadczenia zdobyte przy produkcji komponentów dla Teleskopu Roman znajdą zastosowanie w przyszłych obiektach tego rodzaju oraz w technologii satelitarnej, optyce precyzyjnej i rozwoju systemów obrazowania dla Ziemi.

Dodatkowo, w erze globalnych wyzwań dotyczących zmian klimatu, transformacji energetycznej i eksploracji kosmosu konieczna jest spójna współpraca międzynarodowa. W obliczu tych tendencji Teleskop Roman może stać się symbolem nauki ponad podziałami. Jego konstrukcja i cele wpisują się w ideę „Big Science”, czyli przedsięwzięć naukowych o dużej skali, angażujących całe społeczności badawcze i przynoszących korzyści daleko wykraczające poza samą astrofizykę.

Dzięki otwartej strukturze, dostępności danych i zaplanowanej co najmniej 5–letniej żywotności misji z możliwością przedłużenia, Teleskop Roman może stać się uniwersalnym laboratorium astrofizycznym. Istnieje szansa, że będą korzystać z niego kolejne pokolenia naukowców. Pod warunkiem utrzymania optymalnego tempa rozwoju i zrealizowania misji zgodnie z planem, będzie stanowić triumf technologiczny i przykład skutecznego zarządzania wiedzą w skali globalnej.

Zagrożenia budżetowe – czy Roman poleci w przestrzeń kosmiczną?

W marcu 2025 roku NASA przedstawiła projekt budżetu na rok fiskalny 2026, który wzbudził niepokój w środowisku naukowym. W kontekście nasilających się ograniczeń finansowych na szczeblu federalnym oraz rosnących kosztów innych programów, agencja zaproponowała zamrożenie lub redukcję środków przeznaczonych na kilka dużych przedsięwzięć naukowych. Wśród nich znalazła się również misja Kosmicznego Teleskopu Nancy Grace Roman.

Projekt Teleskopu Roman osiągnął już wysoki poziom zaawansowania technicznego. Fakt ten można wnioskować na podstawie zakończenia integracji zwierciadła głównego oraz rozpoczęcie testów systemów optycznych. Jednakże nie został jeszcze całkowicie złożony ani przygotowany do transportu na platformę startową. To sprawia, że decyzje budżetowe podjęte w najbliższych miesiącach będą miały realny wpływ na harmonogram i zakres misji.

Według nieoficjalnych analiz NASA oraz opinii przedstawicieli Astrophysics Division, rozważane są trzy główne scenariusze. Pierwszy z nich zakłada redukcję budżetu o 200–300 mln USD. W konsekwencji data startu planowana na 2027 rok uległaby przesunięciu na 2029 lub 2030 rok. Opóźnienie oznaczałoby wzrost kosztów operacyjnych i osłabienie synergii z innymi misjami, w tym przede wszystkim z JWST oraz Euclid.

Druga z prognoz przewiduje możliwe ograniczenie funkcjonalności misji Roman. Skutkowałoby to rezygnacją z instrumentów opcjonalnych, do których głównie zalicza się koronograf. Jego obecność nie jest niezbędna do osiągnięcia wiodących celów misji, lecz jednoczesna eliminacja oznaczałaby utraconą szansę na przetestowanie technologii przyszłości.

Trzecia opcja odnosi się do zamrożenia projektu do czasu ogłoszenia kolejnego budżetu. Ten wariant oceniany jest jako najmniej prawdopodobny, ponieważ nawiązuje do wstrzymania dalszych prac na czas nieokreślony. Takie posunięcie generowałoby ryzyko anulowania całej misji.

W odpowiedzi na te doniesienia środowisko astronomiczne zareagowało niemal natychmiast. American Astronomical Society (AAS) wydało stanowisko, w którym ostrzega, że ograniczenie misji Roman byłoby „krokiem wstecz dla całej dziedziny kosmologii obserwacyjnej”. Równolegle pojawiły się petycje online podpisane przez naukowców z całego świata. Wystosowano również listy otwarte do Kongresu i Białego Domu z żądaniem ochrony kluczowych misji naukowych. W międzyczasie zainicjowano kampanie medialne, mające na celu zwiększenie świadomości społecznej na temat znaczenia Teleskopu Roman dla badań kosmosu.

Proponowane cięcia wpisują się w szerszy kontekst napięć budżetowych w USA. Koszty programu Artemis, zobowiązania wojskowe i społeczne oraz rosnące zadłużenie federalne sprawiają, że każda duża inicjatywa podlega ścisłej kontroli. Dodatkowo, w Kongresie zasiadają przedstawiciele nurtu ograniczania „wydatków federalnych na naukę”, którzy wywierają realny wpływ na kształt budżetu poprzez właściwe komisje ds. nauki i przestrzeni kosmicznej.

W tym kontekście przyszłość Kosmicznego Teleskopu Nancy Grace Roman zależy od połączenia kilku czynników. Należy do nich siła nacisku środowisk naukowych, mobilizacja opinii publicznej, umiejętność lobbingowych NASA i jej partnerów oraz ostateczne decyzje podejmowane na szczeblu Departamentu Skarbu i Kongresu.