NASA's aankomende Nancy Grace Roman Space Telescope zal duizenden exploderende sterren zien die supernova's worden genoemd over uitgestrekte tijd en ruimte. Met behulp van deze observaties, astronomen willen licht werpen op verschillende kosmische mysteries, het verstrekken van een venster op het verre verleden en het wazige heden van het universum.

Roman's supernova-onderzoek zal helpen bij het ophelderen van botsende metingen van hoe snel het universum momenteel uitdijt, en zelfs een nieuwe manier bieden om de verdeling van donkere materie te onderzoeken, die alleen detecteerbaar is door zijn zwaartekrachtseffecten. Een van de belangrijkste wetenschappelijke doelen van de missie is het gebruik van supernova's om de aard van donkere energie vast te stellen - de onverklaarbare kosmische druk die de uitdijing van het universum versnelt.

Het grootste mysterie van de ruimte

"Donkere energie vormt het grootste deel van de kosmos, maar we weten eigenlijk niet wat het is, " zei Jason Rhodes, een senior onderzoeker bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. "Door mogelijke verklaringen te beperken, Roman zou ons begrip van het universum radicaal kunnen veranderen - en donkere energie is slechts een van de vele onderwerpen die de missie zal onderzoeken!"

Roman zal meerdere methoden gebruiken om donkere energie te onderzoeken. De ene omvat het onderzoeken van de hemel op zoek naar een speciaal type exploderende ster, een type Ia supernova genoemd.

Veel supernova's vinden plaats wanneer massieve sterren geen brandstof meer hebben, bezwijken snel onder hun eigen gewicht, en exploderen dan vanwege sterke schokgolven die uit hun interieur voortstuwen. Deze supernova's komen ongeveer eens in de 50 jaar voor in ons Melkwegstelsel. Maar er zijn aanwijzingen dat supernova's van type Ia afkomstig zijn van sommige dubbelstersystemen die ten minste één witte dwerg bevatten:de kleine, hete kernrest van een zonachtige ster. Type Ia supernova's zijn veel zeldzamer, gebeurt ongeveer eens in de 500 jaar in de Melkweg.

In sommige gevallen, de dwerg kan materiaal van zijn metgezel overhevelen. Dit veroorzaakt uiteindelijk een op hol geslagen reactie die de dief tot ontploffing brengt zodra hij een specifiek punt bereikt waar hij zoveel massa heeft gewonnen dat hij onstabiel wordt. Astronomen hebben ook bewijs gevonden dat een ander scenario ondersteunt, waarbij twee witte dwergen betrokken zijn die naar elkaar toe draaien totdat ze samensmelten. Als hun gecombineerde massa hoog genoeg is om tot instabiliteit te leiden, zij, te, kan een type Ia supernova produceren.

Deze explosies pieken op een vergelijkbaar, bekende intrinsieke helderheid, het maken van type Ia-supernova's, zogenaamde standaardkaarsen - objecten of gebeurtenissen die een bepaalde hoeveelheid licht uitstralen, waardoor wetenschappers hun afstand kunnen vinden met een eenvoudige formule. Daarom, astronomen kunnen bepalen hoe ver de supernova's verwijderd zijn door simpelweg te meten hoe helder ze lijken.

Astronomen zullen ook Roman gebruiken om het licht van deze supernova's te bestuderen om erachter te komen hoe snel ze van ons weg lijken te gaan. Door te vergelijken hoe snel ze achteruitgaan op verschillende afstanden, wetenschappers zullen de kosmische expansie in de loop van de tijd volgen. Dit zal ons helpen begrijpen of en hoe donkere energie in de loop van de geschiedenis van het universum is veranderd.

"Aan het eind van de jaren negentig wetenschappers ontdekten dat de uitdijing van het heelal versnelde met behulp van tientallen type Ia-supernova's, " zei Daniël Scolnic, een assistent-professor natuurkunde aan de Duke University in Durham, Noord Carolina, die helpt bij het ontwerpen van Roman's supernova-onderzoek. "Romein zal ze bij duizenden vinden, en veel verder weg dan de meeste die we tot nu toe hebben gezien."

Eerdere type Ia supernova-onderzoeken waren gericht op het relatief nabije heelal, grotendeels te wijten aan instrumentbeperkingen. Roman's infrarood zicht, gigantisch gezichtsveld, en voortreffelijke gevoeligheid zal de zoektocht drastisch uitbreiden, door de kosmische gordijnen ver genoeg opzij te trekken om astronomen in staat te stellen duizenden verre supernova's van het type Ia te zien.

De missie zal de invloed van donkere energie in meer dan de helft van de geschiedenis van het universum in detail bestuderen. toen het tussen de vier en twaalf miljard jaar oud was. Door deze relatief onontgonnen regio te verkennen, kunnen wetenschappers cruciale stukjes toevoegen aan de puzzel van donkere energie.

"Type Ia-supernova's behoren tot de belangrijkste kosmologische sondes die we hebben, maar ze zijn moeilijk te zien als ze ver weg zijn, " zei Scolnic. "We hebben extreem nauwkeurige metingen nodig en een ongelooflijk stabiel instrument, dat is precies wat Roman zal bieden."

Hubble constant geroezemoes

Naast het verstrekken van een kruiscontrole met de andere donkere energie-enquêtes van de missie, Roman's type Ia supernova-waarnemingen kunnen astronomen helpen een ander mysterie te onderzoeken. Discrepanties blijven opduiken in metingen van de Hubble-constante, die beschrijft hoe snel het heelal momenteel uitdijt.

Voorspellingen op basis van gegevens uit het vroege heelal, vanaf ongeveer 380, 000 jaar na de oerknal, geven aan dat de kosmos momenteel zou moeten uitdijen met ongeveer 42 mijl per seconde (67 kilometer per seconde) voor elke megaparsec afstand (een megaparsec is ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar). Maar metingen van het moderne heelal wijzen op een snellere uitdijing, tussen ongeveer 43 tot 47 mijl per seconde (70 tot 76 kilometer per seconde) per megaparsec.

Roman zal helpen door verschillende mogelijke bronnen van deze discrepanties te onderzoeken. Sommige methoden om te bepalen hoe snel het universum nu uitdijt, zijn gebaseerd op type Ia-supernova's. Hoewel deze explosies opmerkelijk veel op elkaar lijken, daarom zijn het waardevolle hulpmiddelen voor het meten van afstanden, kleine variaties bestaan. Het uitgebreide onderzoek van Roman zou hun gebruik als standaardkaarsen kunnen verbeteren door ons te helpen begrijpen wat de variaties veroorzaakt.

De missie moet onthullen hoe de eigenschappen van type Ia supernovae veranderen met de leeftijd, omdat het hen over zo'n uitgestrekt gebied van de kosmische geschiedenis zal zien. Roman zal deze explosies ook op verschillende locaties in hun gaststelsels zien, die aanwijzingen kunnen geven over hoe de omgeving van een supernova de explosie verandert.

Donkere materie verlichten

In een paper uit 2020 een team onder leiding van Zhongxu Zhai, a postdoctoral research associate at Caltech/IPAC in Pasadena, Californië, 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, het Space Telescope Science Institute in Baltimore, and science teams comprising scientists from various research institutions.