Римската мисия на НАСА може да ни каже дали Вселената в крайна сметка ще се разкъса

NASA Nancy Grace Roman Space Telescope

NASA’s Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) is now named the Nancy Grace Roman Space Telescope, after NASA’s first Chief of Astronomy. Credit: NASA

The Roman will conduct a High Latitude Wide Area Survey (HLWAS). The High Latitude Spectroscopic Survey (HLSS) is the spectroscopic part of the HLWAS outlined in this study. The HLWAS is one of the telescope’s featured science objectives, along with novel approaches to exoplanet science. HLSS is a high-volume precision survey of millions of galaxies dating back billions of years. The Survey’s primary goal is to study universal expansion over the Universe’s history. The HLSS is so deep and wide that it’ll enable science that isn’t possible with other existing telescopes.

“While this survey is designed to explore cosmic acceleration, it will also offer clues about many other tantalizing mysteries,” said Wang. “It will help us understand the first generation of galaxies, allow us to map dark matter, and even reveal information about structures that are much closer to home, right in our local group of galaxies.”

Roman vs Hubble Field of View

The Roman Space Telescope’s field of view will dwarf the Hubble’s. (No disrespect to the venerable Hubble, The Bringer of Knowledge.) Credit: NASA/GSFC/JPL

Roman’s HLSS relates to Universal expansion, Dark Energy, and Einstein’s Theory of General Relativity (TGR). Obviously, those are all deep and detailed topics, and they won’t fit in a Kurzgesagt-sized nutshell, but here’s how they fit together.

In 1915, when Einstein first put forth his TGR, nobody thought the Universe was expanding. TGR succeeded in explaining things Newtonian Gravity couldn’t. But it had a flaw. Einstein himself realized that his theory predicted that a static Universe was unstable, and it either has to expand or contract to be stable. But he rejected that, and he tripped himself up by introducing the now-notorious ‘cosmological constant’ to compensate. He used it to counteract the effect of gravity and achieve a static Universe. Einstein later called this his greatest blunder.

Then in the 1920s, astronomers discovered that the Universe is expanding. Bye-bye cosmological constant. American astronomer Edwin Hubble played a prominent role in the discovery, and the rule describing the expansion is called Hubble’s Law. (Sidebar: Belgian scientist and priest Georges Lemaître did earlier work on expansion, but he published his work in an obscure journal. Now Hubble’s Law is increasingly referred to as the Hubble–Lemaître law.) They discovered that galaxies are all moving away from each other, with only a very few exceptions. The Universe is expanding.

The expansion of the Universe was and is a mystery. Scientists have a placeholder name for the force that must be driving the expansion: Dark Energy.

For a long time, cosmologists thought the expansion was slowing. But it turns out that’s not true.

In 1998 scientists discovered that the Universe’s rate of expansion is accelerating. It shouldn’t be because the gravity from all the matter should slow the expansion down. With that discovery, the cosmological constant came back into play. It’s now the simplest explanation for the accelerating expansion. The cosmological constant is represented by the Greek capital letter lambda: Λ.

Evolution of the Universe Sketch

This image shows the expansion of the Universe accelerating. Time flows from bottom to top. Credit: Ann Feild (STScI)

Wouldn’t it be nice if the interminable guessing over the fate of the Universe was over? Wouldn’t it be fun to know how the Universe will end? (Lawrence Krauss thinks so.) It’d be as much fun as knowing what triggered its beginning. Imagine how popular you’d be at cocktail parties.

This brings us to the Roman Telescope and its High Latitude Spectroscopic Survey. The HLSS might be able to tell us about the future of the Universe’s expansion and if the Universe will continue to expand faster and faster and end in a Big Rip.

In their paper, the authors clarify the overall goal of the Survey. There are two top-level questions:

  1. Is cosmic acceleration caused by a new energy component or by the breakdown of general relativity (GR) on cosmological scales?
  2. If the cause is a new energy component, is its energy density constant in space and time, or has it evolved over the history of the universe?

There’s no magic to this. In a way, there’s brute force involved. The more of the Universe you can measure, and the more precisely you can measure it, the more accurate your conclusions are likely to be. This is behind the drive for larger, more precise telescopes like the Roman Space Telescope. The answers to our questions are more complex and harder to find.

In the paper, the authors present a reference design for the HLSS. The Roman’s HLSS will cover nearly 2,000 square degrees or about 5% of the sky in about seven months. This is a considerable improvement over other telescopes like the Hubble. “Right now, with telescopes like Hubble, we can sample tens of high-redshift galaxies. With Roman, we’ll be able to sample thousands,” explained Russell Ryan, an astronomer at STScI.

“Although Roman could execute a shallow and wide-area survey comparable to Euclid’s in approximately 1 yr of observing time, the deeper survey proposed here is a better complement to other surveys and more effectively exploits the capabilities of Roman’s larger aperture,” the paper states. “Per unit observing time, Roman is an extraordinarily efficient facility for slitless spectroscopic surveys, so it is well-positioned to respond to developments in experimental cosmology between now and mission launch in the mid-2020s.”

The new study shows that Roman’s HLSS should precisely measure 10 million galaxies from when the Universe was between three to six billion years old. Astronomers will use that data to map the large-scale structure of the Universe.

Космолозите вече са картографирали мащабната структура, но HLSS на римския телескоп ще направи това картографиране една крачка напред. HLSS ще ни каже разстоянията до около два милиона галактики от времето, когато Вселената е била само на два до три милиарда години. Това никога не е правено досега и ще бъдат нови данни.

Тя се свежда до измерване на колкото се може повече неща, колкото можем по-точно. Ако римският телескоп може да внесе нова дълбочина и широчина в нашето разбиране за мащабната структура на Вселената с течение на времето, можем да разберем историята на разширяването на Вселената. Тогава може би най-накрая ще имаме нашия отговор.

„Роман ще определи историята на разширяването на Вселената, за да тества възможните обяснения за нейното очевидно ускоряващо разширение, включително тъмна енергия и модификация на гравитацията на Айнщайн“, пишат авторите в своя документ. „Роман ще определи историята на растежа на най-големите структури във Вселената, за да тества възможните обяснения за нейното очевидно ускоряващо разширение, включително тъмна енергия и модификация на гравитацията на Айнщайн…“

Това видео се разтваря между цялата колекция от кубчета с червено изместване за 55 секунди. С разширяването на Вселената, плътността на галактиките във всеки куб намалява, от 528 000 в първия куб до 80 в последния. Всеки куб е с диаметър около 100 милиона светлинни години. Галактики, събрани по огромни газови нишки, разделени от огромни кухини, подобна на пяна структура отекна в днешната Вселена в големи космически мащаби. Тази визуализация показва броя и групирането на симулирани галактики на различни космически епохи, вариращи от 4% до 43% от сегашната възраст на Вселената от 13,8 милиарда години. Всеки куб представлява фиксиран обем пространство, около 100 милиона светлинни години на страна. В последователността разширяването на Вселената бързо намалява плътността на галактиките. Всеки куб показва специфично космологично червено отместване от 9 към 1, като по-ранните кубчета са в по-червени нюанси.

Последното изречение описва къде сме в момента. Вселената се разширява и разширяването се ускорява. Това не трябва да е така, защото тежестта на цялата материя във Вселената би трябвало да пречи на това разширение. Ускорението означава, че теорията на гравитацията на Айнщайн не е съвсем вярна. Или това означава, че трябва да добавим нов енергиен компонент към Вселената: Тъмна енергия.

Както е обяснено в неговия TGR, гравитацията на Айнщайн е точна до известна степен. Така беше и на Нютон, докато не можехме да наблюдаваме по-големи части от Вселената. Гравитацията на Нютон описва точно какво се случва с гравитацията в местни мащаби, а гравитацията на Айнщайн обяснява точно какво се случва в още по-голям мащаб. Но сега се сблъскваме с цялата Вселена и нашето разбиране е неадекватно.

Това изследване симулира какво римляните могат да донесат по въпроса. Огромните и дълбоки 3D изображения на Вселената на Римския телескоп са нова възможност за разграничаване между водещите теории, които се опитват да обяснят космическото ускорение: модифицирана теория на гравитацията или тъмната енергия.

Науката може само да победи. И двата резултата ни доближават.

„За да осветим неизвестната природа на космическото ускорение, ние трябва да измерим две свободни функции на времето: историята на космическото разширение и скоростта на растеж на мащабна структура“, пишат авторите. „Те могат да ни кажат дали тъмната енергия се променя с времето и дали е неизвестен енергиен компонент (например космологична константа) или следствие от модификацията на общата теория на относителността като теория на гравитацията.

Римски космически телескоп Космологична инфографика с червено изместване

Тази графика илюстрира как работи космологичното червено изместване и как предлага информация за еволюцията на Вселената. Вселената се разширява и това разширение разтяга светлината, пътуваща през пространството. Колкото повече се е разтегнало, толкова по-голямо е червеното отместване и толкова по-голямо е разстоянието, което е изминала светлината. В резултат на това имаме нужда от телескопи с инфрачервени детектори, за да виждаме светлина от първите, най-далечни галактики. Кредит: НАСА, ЕКА, Лия Хъстак (STScI)

„Можем да очакваме нова физика и в двата случая – независимо дали научим, че космическото ускорение е причинено от тъмна енергия, или открием, че трябва да модифицираме теорията на гравитацията на Айнщайн“, каза Уанг. “Роман ще тества и двете теории едновременно.”

Авторите посочват, че техният референтен HLSS е пример за това как може да се приложи спектроскопското изследване с широка ширина на високите ширини на Роман. „Истинското проучване, което Роман ще изпълни, ще бъде определено в отворен процес на общността преди стартирането, като се вземе предвид пейзажът на проектите за тъмна енергия и техните синергии“, пишат те.

Ще разберем ли някога как ще свърши Вселената? Може би някой ден ще го направим и ще можем да си говорим за това на коктейли. И можем да говорим за това как римският космически телескоп Нанси Грейси ни помогна да намерим нашия отговор.

Първоначално публикувано във Universe Today.

За повече по тази тема вижте Dark Energy Vs. Модифицирана гравитация: Римската мисия на НАСА ще тества конкуриращи се теории за космическо ускорение.

Add Comment