Roman skjuts upp på lördag — en miljard galaxer för att knäcka mörk energi

Rymdteleskopet Roman skjuts upp på lördag mitt i kosmologins största öppna mätproblem: två oberoende sätt att mäta hur snabbt universum expanderar skiljer sig med 8 procent. Mäter man den kosmiska bakgrundsstrålningen – ljus från 380 000 år efter Big Bang – hamnar expansionshastigheten på omkring 67 kilometer per sekund per megaparsec. Mäter man Cepheid-stjärnor och supernovor av typ Ia i närheten får man ungefär 73. Gapet mellan dem är 4 till 6 standardavvikelser brett. Inom fysiken är det ingen avrundningsmiss. Det är en signal om att något i standardmodellen är fel.

Nancy Grace Roman-rymdteleskopet, som lyfter klockan 7:26 Eastern time från Kennedy Space Center på en SpaceX Falcon Heavy-raket, är det mest kapabla instrument som hittills konstruerats för att ta reda på vad. Med en 2,4-metersspegel – samma diameter som Hubbles – och en 300-megapixelkamera i nära infrarött som ser en himmelsyta 200 gånger bredare än Hubbles synfält, kan Roman bygga de storskaliga kartor över galaxfördelningen som den rådande spänningen kräver.

Bevisen som knäckte standardmodellen

Mörk energi identifierades 1998 när två oberoende team som mätte avstånd och recessionhastigheter för supernovor av typ Ia fann att avlägsna galaxer rörde sig bort snabbare än vad expansion som bromsas av gravitationen borde tillåta. Observationen gav Nobelpriset 2011 och förde in en term – den kosmologiska konstanten Λ – i kosmologins standardmodell. Λ innebär att mörk energi är konstant i både densitet och karaktär, en fix egenskap hos själva rummet.

Rekommenderad läsningDESI kartlade mörk energi — och fann ett universum som inte är jämnt.

Två nya rön har komplicerat den bilden. Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) publicerade resultat som visar att baryonakustiska oscillationer – periodiska densitetsmönster som frusits in i den kosmiska väven sedan 380 000 år efter Big Bang – passar data bättre om mörk energins styrka har förändrats över tiden. Fyndet bevisar inte variation; det är en antydan, och det statistiska underlaget är ännu inte avgörande. Men det är den mest betydelsefulla empiriska utmaningen mot Λ sedan Nobelpriset.

Hubble-spänningen tillför en andra tryckpunkt. Om standardmodellen är korrekt borde både tidiguniversumsmätningarna och de lokala mätningarna konvergera mot samma expansionshastighet. Det gör de inte. Den senaste analysen med JWST-kalibrerade Cepheid-stjärnor bekräftar det lokala värdet nära 73 km/s/Mpc. CMB-värdet stannar nära 67. Diskrepansen har inte krympt med mer data – den har vuxit.

Vad Roman kommer att mäta, och hur

Roman kommer att angripa problemet med mörk energi genom tre oberoende kanaler.

Den första är supernovor av typ Ia, som fungerar som standardiserbara avståndsmarkörer: varje sådan når en förutsägbar maximal ljusstyrka som avslöjar hur långt bort den är. Att jämföra avstånd med rödförskjutning – hur mycket en galax ljus har sträckts ut av universums expansion – ger expansionshastigheten vid den kosmiska epoken. Roman förväntas upptäcka tusentals supernovor per år över ett mycket bredare rödförskjutningsintervall än markbaserade undersökningar, och kartlägga universums accelerationshistoria med en precision som dagens instrument inte kan nå.

Den andra kanalen är baryonakustiska oscillationer. Dessa ljudvågor från det tidiga universum lämnade en karakteristisk skala inpräntad i hur galaxer klustrar sig – en statistisk preferens för galaxpar separerade med ungefär 490 miljoner ljusår. Den skalan fungerar som en standardmåttstock: mät hur stor den ser ut vid olika rödförskjutningar och du kan rekonstruera universums expansionshistoria vid varje kosmisk epok. Romans vidvinkelavbildning kommer att kartlägga miljontals galaxer och ge en statistisk styrka som dagens undersökningar inte kan matcha.

Den tredje är svag gravitationslinsning: den lilla förvrängningen av bakgrundsgalaxers former av massan i förgrundsstrukturen. Linsning spårar hur materia har klumpat sig över tiden, vilket är känsligt för både mörk materias densitet och mörk energis beteende. I kombination med supernov- och BAO-data ger linsning en korskontroll som kan isolera om en diskrepans i expansionshistorien är verklig eller instrumentell.

Jämfört med vad som kom före

Hubbles infraröda kamera täcker ungefär 10 kvadratbågminuter per exponering. Roman täcker ungefär 0,28 kvadratgrader – grovt räknat 100 gånger arean vid jämförbar upplösning och djup. Dess vidvinkelinstrument kommer att se himmelsytor som skulle ta Hubble år att kartlägga på några veckor. JWST erbjuder extraordinärt djup men ett synfält som liknar Hubbles; JWST är mikroskopet, Roman är vidvinkelobjektivet. ESA:s Euclid, som sköts upp 2023 och redan levererar data, täcker ett bredare fält än Roman men med lägre rumslig upplösning och djup; båda uppdragen förväntas komplettera varandra.

Skalskillnaden är uppdragets kärnargument. Att mäta mörk energis egenskaper med den precision som krävs för att skilja en verklig kosmologisk konstant från en som utvecklas kräver statistiska urval på miljontals objekt. Hubble-spänningen kan inte lösas med små undersökningar – den kräver en folkräkning.

Vad Roman inte kommer att avgöra

Romans mätningar kommer att skärpa begränsningarna för mörk energi avsevärt, men de kommer inte att lösa alla frågor som nu är knutna till den. Instrumentet kan inte direkt detektera mörk energi – det mäter dess effekter på observerbara storheter, och dessa mätningar bär med sig sina egna systematiska osäkerheter. Kalibreringen av supernovor av typ Ia beror till exempel på Cepheid-avståndsmätningar, som i sin tur beror på hur dessa stjärnors pulserings egenskaper påverkas av deras kemiska miljö. Den kalibreringskedjan är precis där Hubble-spänningen för närvarande lever.

Om Romans data minskar H0-gapet – för lokala och tidiguniversumsmätningar närmare varandra – kommer det att tyda på att spänningen uppstod från oupptäckta systematiska fel i tidigare mätningar. Om gapet kvarstår eller vidgas efter Romans förbättrade kalibrering skulle det vara starka bevis för att standardmodellen verkligen är ofullständig. Det utfallet skulle vara det mer betydelsefulla, men det skulle inte i sig namnge vad som är fel – bara bekräfta att något är det.

Jason Rhodes, kosmolog vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory och involverad i uppdraget, beskrev det nuvarande läget rakt på sak: ”Vi börjar se spänningar mellan mätningar av det tidiga universum och mätningar av det sena universum.” Roman designades specifikt för att antingen få dessa spänningar att försvinna eller hårdna till en bekräftad anomali.

Idrifttagningen tar ungefär 90 till 100 dagar efter uppskjutning; vetenskapliga observationer förväntas börja i början av 2027. Teleskopet kommer att operera vid Lagrangepunkten L2, ungefär 1,5 miljoner kilometer från jorden, där JWST redan kretsar. Primäruppdraget sträcker sig över fem år.

Vanliga frågor om Roman-teleskopet och mörk energi

Vad är mörk energi, egentligen?
Mörk energi är namnet på den okända orsaken till universums accelererande expansion. Den står för omkring 68 procent av universums totala energiinnehåll enligt nuvarande uppskattningar, men dess fysiska natur är fortfarande okänd. Den enklaste modellen behandlar den som en konstant energitäthet som är inneboende i tomt rum. Mer komplexa modeller tillåter den att förändras över tiden eller skilja sig i karaktär från den kosmologiska konstanten. Roman är designad för att skilja mellan dessa möjligheter.

Vad är Hubble-spänningen?
Hubble-konstanten (H0) mäter hur snabbt universum för närvarande expanderar. Två breda kategorier av mätningar – en som använder den kosmiska bakgrundsstrålningen som utgångspunkt, den andra som använder närliggande standardljus som Cepheid-stjärnor och supernovor – ger konsekvent olika värden, nära 67 respektive 73 km/s/Mpc. Diskrepansen är statistiskt signifikant nog att den inte rimligen kan förklaras av slumpen, men dess orsak är olöst.

Hur skiljer sig Roman från James Webb Space Telescope?
JWST är optimerat för djupa, smala fältobservationer av enskilda objekt med extraordinär känslighet. Roman har samma spegelstorlek som Hubble men ett synfält som är 100 till 200 gånger större; det byter djup mot bredd. De två teleskopen är designade för att arbeta tillsammans: Roman hittar och kartlägger i stor skala, JWST följer upp specifika mål i detalj.

Varför spelar mörk energi roll bortom kosmologin?
Mörk energi bestämmer universums långsiktiga öde. Om den är verkligt konstant kommer universum att fortsätta accelerera oändligt, och så småningom separera galaxer bortom räckhåll för varandras ljus. Om mörk energi förändras över tiden – eller vänder – ändras banan. Romans mätningar kommer att begränsa vilka av dessa scenarier som är fysiskt plausibla.

Om Hubble-spänningen överlever Romans granskning kommer kosmologin att behöva en ny modell – en som kan förklara varför universums tidigaste och senaste signaturer av expansion inte längre stämmer överens.

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

Mer som detta

Jupiter slungar elektroner till nära ljusets hastighet, som supernovor gör

JWSTs röda prickar är svarta hål som växer tio gånger för snabbt

Webb hittade en galaxhop på 10 miljarder år som är tätare än modellerna tillåter

Webb mätte ett 13 miljarder år gammalt svart hål — det bildades före sin egen galax

JWST avslöjar: tidiga massiva galaxer gömmer fyra gånger mer massa i små stjärnor

S301 är Vintergatans snabbaste stjärna och kan äntligen mäta Sagittarius A*s rotation