กล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมันของ NASA จะพลิกโฉมการศึกษาจักรวาล

กล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมันของ NASA เตรียมพลิกโฉมวิธีการศึกษาจักรวาล

ทีมนักดาราศาสตร์ต่างเตรียมพร้อมใช้ประโยชน์จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Nancy Grace Roman ของ NASA ที่กำลังจะถูกส่งขึ้นสู่อวกาศ ซึ่งมาพร้อมกับขีดความสามารถที่แตกต่างจากหอดูดาวนอกโลกแห่งใดๆ ที่เคยมีมา

โดย Jonathan O’Callaghan

กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Nancy Grace Roman ของ NASA ซึ่งแสดงในภาพประกอบนี้ เตรียมมอบมุมมองพาโนรามาใหม่ของจักรวาลแก่นักดาราศาสตร์

คุณจะทำอะไรกับกล้องโทรทรรศน์ ‘ซูเปอร์-ฮับเบิล’ ที่สามารถถ่ายภาพท้องฟ้าได้ไม่เพียงแต่ในพื้นที่เล็กๆ แต่ยังรวมถึงพื้นที่ขนาดใหญ่ด้วย? นี่คือคำถามที่ NASA ถามนักวิทยาศาสตร์ และพวกเขาก็ตอบกลับมาอย่างเต็มที่

เมื่อเร็วๆ นี้ องค์การฯ ได้คัดเลือกโครงการ 118 โครงการเพื่อใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Nancy Grace Roman ที่เพิ่งสร้างเสร็จและมีกำหนดปล่อยในวันที่ 30 สิงหาคมนี้ ด้วยวิธีการใหม่ๆ ที่น่าตื่นเต้น แต่ละโครงการต้องการภารกิจที่ Roman อยู่ในตำแหน่งที่ดีที่สุดในการดำเนินการ เช่น การสำรวจจักรวาลเพื่อค้นหาหลุมดำที่เพิ่งเกิดใหม่ และการตรวจสอบประชากรดาวฤกษ์ในกาแล็กซีใกล้เคียง ในขณะที่เตรียมพร้อมสำหรับวัตถุประสงค์หลักในการศึกษาพลังงานมืดและสสารมืด รวมถึงการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบนับหมื่นดวง

Roman ใช้เวลาสร้างกว่าทศวรรษด้วยงบประมาณ 4.3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐฯ รวมถึงกระจกพาโนรามาขนาดเท่า Hubble ซึ่งได้มาจากโครงการดาวเทียมสอดแนมลับของสหรัฐฯ เมื่อรวมกับเครื่องมือ Wide-Field Instrument อินฟราเรด 300 ล้านพิกเซล และเครื่องมือ Coronagraph สำหรับการถ่ายภาพความคมชัดสูง กระจกขนาด 2.4 เมตรของ Roman จะช่วยให้สามารถสำรวจจักรวาลในวงกว้าง รวมถึงการศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบที่ก้าวล้ำจากตำแหน่งที่อยู่ห่างจากโลก 1.5 ล้านกิโลเมตร (หนึ่งล้านไมล์) ซึ่งเป็นตำแหน่งเดียวกับที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบ (JWST) ตั้งอยู่

กระจกของ Roman ช่วยให้กล้องโทรทรรศน์มองเห็นท้องฟ้าได้มากกว่า Hubble หรือ JWST ประมาณ 100 เท่าในการเปิดรับแสงครั้งเดียว ทำให้สามารถศึกษาจำนวนกาแล็กซีและดาวฤกษ์จำนวนมากได้พร้อมกัน สิ่งนี้ทำให้มีขีดความสามารถเฉพาะตัวที่ไม่มีกล้องโทรทรรศน์อื่นใดเทียบได้ แต่ก็ก่อให้เกิดความท้าทายในการจัดการข้อมูลด้วย

เจ้าหน้าที่ NASA กล่าวว่า Roman คาดว่าจะสร้างข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ได้ 1.4 เทราไบต์ต่อวัน และควรส่งข้อมูลกลับมาประมาณ 500 เทราไบต์ต่อปี ตัวเลขรายปีนี้เทียบเท่ากับปริมาณข้อมูลทั้งหมดที่ Hubble สร้างขึ้นตลอดการปฏิบัติงานกว่า 35 ปี โครงการสังเกตการณ์ “General Investigator” ที่ได้รับเลือกใหม่ 118 โครงการจำนวนมากจะพยายามใช้ประโยชน์จากข้อมูลมหาศาลนี้

การค้นพบจุดแดงเล็กๆ (LRDs) และกาแล็กซีแรกเริ่ม

โครงการของ Roman จำนวนหนึ่งจะเน้นไปที่จุดแดงเล็กๆ (LRDs) ด้วยมุมมองที่กว้างและลึกของ Roman ทำให้สามารถล่าวัตถุลึกลับเหล่านี้ในรูปแบบใหม่ทั้งหมด LRDs ถูกค้นพบโดย JWST ในปี 2022 เป็นวัตถุแปลกประหลาดขนาดกะทัดรัดที่พบในจักรวาลยุคแรกเริ่ม ซึ่งอาจเป็นดาวหลุมดำที่แปลกใหม่ อย่างไรก็ตาม LRDs กลับจางหายไปอย่างลึกลับเมื่อจักรวาลมีอายุมากขึ้น

Vasily Kokorev จากมหาวิทยาลัยเทกซัสที่ออสตินและทีมของเขาจะพยายามหาคำตอบว่า LRDs จางหายไปจริงหรือไม่เมื่อจักรวาลมีอายุมากขึ้น หรือเรายังไม่ได้พบพวกมันที่อื่น ซึ่งจะให้เบาะแสสำคัญเกี่ยวกับต้นกำเนิดของพวกมัน โครงการของ Kokorev โดยใช้ข้อมูลของ Roman จะเริ่มการค้นหาเมื่อสองพันล้านปีหลังการระเบิดครั้งใหญ่ที่เกิดขึ้นเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน

“เมื่อเราพยายามหาจุดแดงเล็กๆ ที่ใกล้เรามากขึ้น เราก็ล้มเหลว” Kokorev กล่าว แม้ว่าจะมีร่องรอยของบางส่วนที่อยู่ภายในไม่กี่พันล้านปีแสงจากโลก ซึ่งในทางจักรวาลวิทยาถือว่าอยู่ใกล้มาก การใช้ JWST เพื่อมองหา LRDs ที่เพิ่งเกิดขึ้น Kokorev กล่าวว่า “เหมือนกับการพยายามใช้กล้องส่องทางไกลขนาดใหญ่มากเพื่ออ่านหนังสือที่อยู่ตรงหน้าคุณ”

จำนวนและอายุของ LRDs ที่ Roman พบ ควรจะทำให้เรามีความคิดที่ดีขึ้นเกี่ยวกับต้นกำเนิดของพวกมัน ถ้าพวกมันมีดาวฤกษ์ขนาดมหึมาหรือหลุมดำ ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นจุดเริ่มต้นของกลุ่มดาวฤกษ์ที่เรียกว่ากระจุกดาวทรงกลม พวกมันควรจะปรากฏในจำนวนที่ใกล้เคียงกันตลอดอายุของจักรวาล แต่ถ้าพวกมันเป็นดาวหลุมดำที่กำลังเติบโตเป็นหลุมดำมวลยวดยิ่งภายในรังไหมของก๊าซที่หนาแน่น จำนวนของพวกมันควรจะลดลงเมื่อสสารในจักรวาลกระจายตัวออกไปและเชื้อเพลิงที่มีอยู่สำหรับหลุมดำเหล่านี้หมดลง

Roman ได้รับการออกแบบมาเพื่อศึกษาจักรวาลที่ห่างไกลออกไปเช่นกัน Steven Finkelstein จากมหาวิทยาลัยเทกซัสที่ออสตินเป็นผู้นำโครงการที่จะล่าหากาแล็กซีที่สว่างมากและอยู่ไกลมาก ซึ่ง Roman และหอดูดาวอื่นๆ สามารถตรวจสอบได้อย่างละเอียด GN-z11 ที่โด่งดังที่สุด ถูกค้นพบโดย Hubble ในปี 2016 เพียง 400 ล้านปีหลังการระเบิดครั้งใหญ่ แม้ว่า JWST จะค้นพบกาแล็กซีที่ห่างไกลกว่านั้นแล้ว แต่ GN-z11 ก็ยังคงโดดเด่นในเรื่องความสว่างเป็นพิเศษ ทำให้ง่ายต่อการศึกษาติดตามผลเชิงลึกเพื่อกำหนดองค์ประกอบทางเคมีและเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับประวัติศาสตร์ของมัน

“มันสว่างกว่าที่คาดไว้มากที่จะก่อตัวขึ้นในช่วงแรกๆ” Finkelstein กล่าว ซึ่งหวังว่าจะพบวัตถุที่คล้ายกันอีกประมาณ 500 ชิ้นด้วย Roman โครงการของเขายังควรจะพบ LRDs ในช่วงสองพันล้านปีแรกของจักรวาล รวมถึงกลุ่มกาแล็กซีขนาดใหญ่ที่เรียกว่ากระจุกเลนส์ ซึ่งขยายแสงที่จางมากของกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลออกไปอีกจากห้วงลึกของเวลาจักรวาล

Finkelstein ยังเป็นส่วนหนึ่งของโครงการอื่นที่จะพยายามสร้างภาพสนามลึกอันโด่งดังของ Hubble และ JWST ขึ้นมาใหม่ ซึ่งเผยให้เห็นกาแล็กซีนับล้านที่ไม่เคยเห็นมาก่อนโดยการจ้องมองไปที่พื้นที่ว่างเปล่าของท้องฟ้า Roman จะทำเช่นเดียวกันแต่ในขนาดที่ใหญ่ขึ้นมาก โครงการนี้เรียกว่า Roman eXtreme Deep Field (RXDF) จะมอบหมายให้กล้องโทรทรรศน์จ้องมองไปยังพื้นที่ที่ใหญ่กว่าสนามลึกสุดขีดของ Hubble ถึง 140 เท่า เผยให้เห็นกาแล็กซีนับล้านที่ย้อนไปถึง 300 ล้านปีหลังการระเบิดครั้งใหญ่ Haojing Yan หัวหน้าโครงการและนักดาราศาสตร์สังเกตการณ์ที่มหาวิทยาลัยมิสซูรีกล่าว

RXDF อาจมองเห็นซูเปอร์โนวาจากดาวฤกษ์ดวงแรกในจักรวาลที่เรียกว่าดาวฤกษ์ Population III ได้ด้วย Yan กล่าวเสริม “ในช่วงชีวิตส่วนใหญ่ของพวกมัน พวกมันจางเกินกว่าจะตรวจจับได้” เขากล่าว “แต่เมื่อพวกมันสิ้นสุดชีวิตลงเป็นซูเปอร์โนวา [ด้วย Roman] เราจะมีโอกาส”

การทำแผนที่กาแล็กซีเพื่อนบ้านและตามล่าหาซูเปอร์โนวาที่ล้มเหลว

ในบรรดาโครงการที่ได้รับการอนุมัติ 118 โครงการที่จะใช้ข้อมูลที่รวบรวมโดย Roman ผ่านการสำรวจหลัก มีหลายโครงการขนาดใหญ่ที่จะทำการสังเกตการณ์เฉพาะของตนเอง หนึ่งในนั้นนำโดย Karoline Gilbert จาก Space Telescope Science Institute (STScI) ในรัฐแมริแลนด์ จะสำรวจกาแล็กซีแอนโดรเมดาและกาแล็กซีสามเหลี่ยมที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งตั้งอยู่ห่างจากทางช้างเผือกของเรา 2.5 ล้านและ 3 ล้านไมล์ตามลำดับอย่างละเอียดเป็นพิเศษ

ด้วยการใช้ Roman Gilbert และทีมของเธอจะทำแผนที่ดาวฤกษ์กว่าครึ่งพันล้านดวงในสองกาแล็กซี การแยกแยะดาวฤกษ์แต่ละดวงในกาแล็กซีอื่นเป็นเรื่องยาก แต่แอนโดรเมดาและสามเหลี่ยมอยู่ใกล้และใหญ่พอ และกล้องโทรทรรศน์อย่าง Roman (และ JWST และ Hubble) ก็มีความคมชัดเพียงพอที่จะมองเห็นพวกมัน อย่างไรก็ตาม Roman สามารถคัดแยกดาวฤกษ์ในแอนโดรเมดาได้อย่างละเอียดมากขึ้นอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน เนื่องจากมีมุมมองที่กว้างขึ้น “Roman มีการผสมผสานที่ไม่เคยมีมาก่อนระหว่างมุมมองพาโนรามาที่มีความละเอียดและความแม่นยำสูงมาก” Gilbert กล่าว “เราสามารถศึกษาระบบนิเวศของกาแล็กซีเหล่านี้และดาวฤกษ์ภายในพวกมันได้”

การถ่ายภาพแอนโดรเมดาซ้ำๆ เป็นเวลาหลายปี Roman จะติดตามการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของดาวฤกษ์ในกาแล็กซีอย่างใกล้ชิด ทำให้เราสามารถแยกแยะประวัติศาสตร์พลวัตที่ละเอียดอ่อนของมันได้ แอนโดรเมดาเชื่อกันว่าได้รวมเข้ากับกาแล็กซีอื่นในช่วงสองพันล้านปีที่ผ่านมา และแม้ว่าดาวฤกษ์จากการรวมตัวนั้นควรจะกระจัดกระจายไปทั่วแล้ว แต่ก็ยังควรตรวจจับได้ผ่านการเคลื่อนที่ร่วมกันของพวกมัน

โครงการของ Gilbert ยังจะล่าหากาแล็กซีแคระที่จางมากใกล้กับแอนโดรเมดาและสามเหลี่ยม ซึ่งเป็นวัตถุที่มืดมนจนขาดดาวฤกษ์จนส่วนใหญ่หลุดรอดจากกล้องโทรทรรศน์อื่นๆ โดยรวมแล้ว “พวกมันเป็นวัตถุที่มีสสารมืดครอบงำมากที่สุดในจักรวาล” Gilbert กล่าว “นี่จะเป็นโอกาสแรกของเราที่จะพบกาแล็กซีแคระที่จางมากเหล่านี้รอบๆ แอนโดรเมดาหรือสามเหลี่ยม”

Ryan Foley จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ จะใช้ข้อมูลของ Roman เพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย นั่นคือการมองหาซูเปอร์โนวาที่ล้มเหลวในกาแล็กซีอื่น “มีการคาดการณ์ว่าดาวฤกษ์มวลมากบางดวงควรจะยุบตัวลงเป็นหลุมดำ” โดยไม่มีซูเปอร์โนวา Foley กล่าว เพราะพวกมันจะเปลี่ยนสภาพเป็นความมืดก่อนที่คลื่นกระแทกของซูเปอร์โนวาจะหลุดรอดออกมาได้ นั่นหมายความว่าดาวฤกษ์บางดวงควรจะหายไปจากจักรวาลเมื่อพวกมันดับลง ซึ่งเป็นความแปลกประหลาดที่เราเคยเห็นร่องรอยมาก่อนแต่ไม่เคยสังเกตได้อย่างชัดเจน ด้วย Roman Foley และทีมของเขาจะมองหาเหตุการณ์ดังกล่าวในกาแล็กซีประมาณ 1,000 แห่ง

ยังมีอะไรอีกมากมายที่จะเกิดขึ้นเมื่อ Roman เริ่มทำงานและปฏิบัติภารกิจ

ที่มา: Scientificamerican.com