NASA:s kommande Nancy Grace Roman Space Telescope kommer att se tusentals exploderande stjärnor som kallas supernovor över stora delar av tid och rymd. Med hjälp av dessa observationer, astronomer strävar efter att belysa flera kosmiska mysterier, ger ett fönster mot universums avlägsna förflutna och disiga nutid.

Romans supernovaundersökning kommer att hjälpa till att reda ut motstridiga mätningar av hur snabbt universum expanderar, och till och med tillhandahålla ett nytt sätt att undersöka distributionen av mörk materia, som endast kan detekteras genom dess gravitationseffekter. Ett av uppdragets primära vetenskapsmål involverar att använda supernovor för att hjälpa till att fastställa mörk energis natur – det oförklarliga kosmiska trycket som påskyndar universums expansion.

Rymdens största mysterium

"Mörk energi utgör majoriteten av kosmos, men vi vet faktiskt inte vad det är, sa Jason Rhodes, en senior forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien. "Genom att begränsa möjliga förklaringar, Roman skulle kunna revolutionera vår förståelse av universum - och mörk energi är bara ett av de många ämnen som uppdraget kommer att utforska!"

Roman kommer att använda flera metoder för att undersöka mörk energi. Den ena handlar om att undersöka himlen efter en speciell typ av exploderande stjärna, kallas en supernova av typ Ia.

Många supernovor uppstår när massiva stjärnor får slut på bränsle, snabbt kollapsa under sin egen vikt, och sedan explodera på grund av starka chockvågor som driver ut ur deras inre. Dessa supernovor förekommer ungefär en gång vart 50:e år i vår galax Vintergatan. Men bevis visar att supernovor av typ Ia härstammar från några binära stjärnsystem som innehåller minst en vit dvärg - den lilla, het kärna kvarleva av en solliknande stjärna. Typ Ia supernovor är mycket sällsynta, händer ungefär en gång vart 500:e år i Vintergatan.

I vissa fall, dvärgen kan suga material från sin följeslagare. Detta utlöser i slutändan en skenande reaktion som detonerar tjuven när den når en specifik punkt där den har fått så mycket massa att den blir instabil. Astronomer har också hittat bevis som stöder ett annat scenario, involverar två vita dvärgar som går i spiral mot varandra tills de smälter samman. Om deras sammanlagda massa är tillräckligt hög för att det leder till instabilitet, de, för, kan producera en supernova av typ Ia.

Dessa explosioner toppar på en liknande, känd inneboende ljusstyrka, att göra supernovor av typ Ia så kallade standardljus – föremål eller händelser som avger en viss mängd ljus, gör det möjligt för forskare att hitta sitt avstånd med en enkel formel. På grund av detta, astronomer kan avgöra hur långt bort supernovorna är genom att helt enkelt mäta hur ljusa de ser ut.

Astronomer kommer också att använda Roman för att studera ljuset från dessa supernovor för att ta reda på hur snabbt de verkar röra sig bort från oss. Genom att jämföra hur snabbt de drar sig tillbaka på olika avstånd, forskare kommer att spåra kosmisk expansion över tiden. Detta kommer att hjälpa oss att förstå om och hur mörk energi har förändrats genom universums historia.

"I slutet av 1990-talet, forskare upptäckte att universums expansion påskyndas med hjälp av dussintals supernovor av typ Ia, sa Daniel Scolnic, en biträdande professor i fysik vid Duke University i Durham, Norra Carolina, som hjälper till att designa Romans supernovaundersökning. "Romer kommer att hitta dem i tusental, och mycket längre bort än de flesta av dem vi har sett hittills."

Tidigare supernovaundersökningar av typ Ia har koncentrerats på det relativt närliggande universum, till stor del på grund av instrumentbegränsningar. Romans infraröda syn, gigantiskt synfält, och utsökt känslighet kommer att förlänga sökningen dramatiskt, dra de kosmiska gardinerna tillräckligt långt åt sidan för att tillåta astronomer att upptäcka tusentals avlägsna supernovor av typ Ia.

Uppdraget kommer att studera mörk energis inflytande i detalj över mer än hälften av universums historia, när den var mellan cirka fyra och 12 miljarder år gammal. Att utforska denna relativt osökta region kommer att hjälpa forskare att lägga till avgörande bitar till det mörka energipusslet.

"Supernovor av typ Ia är bland de viktigaste kosmologiska sonderna vi har, men de är svåra att se när de är långt borta, " sa Scolnic. "Vi behöver extremt exakta mätningar och ett otroligt stabilt instrument, vilket är exakt vad Roman kommer att ge."

Hubble konstant ståhej

Förutom att ge en korskontroll med uppdragets andra mörka energiundersökningar, Romans supernovaobservationer av typ Ia kan hjälpa astronomer att undersöka ett annat mysterium. Avvikelser dyker hela tiden upp i mätningar av Hubble-konstanten, som beskriver hur snabbt universum expanderar just nu.

Förutsägelser baserade på tidiga universumdata, från cirka 380, 000 år efter big bang, indikerar att kosmos för närvarande bör expandera med cirka 42 miles per sekund (67 kilometer per sekund) för varje megaparsek avstånd (en megaparsec är cirka 3,26 miljoner ljusår). Men mätningar av det moderna universum indikerar snabbare expansion, mellan ungefär 43 till 47 miles per sekund (70 till 76 kilometer per sekund) per megaparsec.

Roman kommer att hjälpa till genom att utforska olika potentiella källor till dessa avvikelser. Some methods to determine how fast the universe is now expanding rely on type Ia supernovae. While these explosions are remarkably similar, which is why they're valuable tools for gauging distances, small variations do exist. Roman's extensive survey could improve their use as standard candles by helping us understand what causes the variations.

The mission should reveal how the properties of type Ia supernovae change with age, since it will view them across such a vast sweep of cosmic history. Roman will also spot these explosions in various locations in their host galaxies, which could offer clues to how a supernova's environment alters its explosion.

Illuminating dark matter

In a 2020 paper, a team led by Zhongxu Zhai, a postdoctoral research associate at Caltech/IPAC in Pasadena, Kalifornien, 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, the Space Telescope Science Institute in Baltimore, and science teams comprising scientists from various research institutions.