En av Hubble Space Telescopes mest ikoniska bilder är Hubble Ultra Deep Field, som avslöjade otaliga galaxer över universum, sträcker sig tillbaka till inom några hundra miljoner år efter Big Bang. Hubble kikade på en enda fläck av till synes tom himmel i hundratals timmar med början i september 2003, och astronomer avslöjade denna galaxväv för första gången 2004, med fler observationer under de följande åren.

NASA:s kommande Nancy Grace Roman Space Telescope kommer att kunna fotografera ett område på himlen som är minst 100 gånger större än Hubble med samma skarpa skärpa. Bland de många observationer som kommer att möjliggöras av denna vida syn på kosmos, astronomer överväger möjligheten och den vetenskapliga potentialen för ett romerskt rymdteleskop "ultradjupt fält." En sådan observation kan avslöja nya insikter om ämnen som sträcker sig från stjärnbildning under universums ungdom till hur galaxer samlas i rymden.

Roman kommer att möjliggöra ny vetenskap inom alla områden av astrofysik, från solsystemet till kanten av det observerbara universum. Mycket av Romans observationstid kommer att ägnas åt undersökningar över breda strängar av himlen. Dock, viss observationstid kommer också att finnas tillgänglig för det allmänna astronomiska samfundet att begära andra projekt. Ett romerskt ultradjupt fält skulle kunna gynna forskarsamhället mycket, säger astronomer.

"Som ett samhällsvetenskapligt koncept, det kan finnas spännande vetenskapliga återkomster från ultradjupa fältobservationer av Roman. Vi skulle vilja engagera det astronomiska samfundet att fundera på hur de skulle kunna dra fördel av Romans kapacitet, " sa Anton Koekemoer från Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. Koekemoer presenterade den romerska idén om ultradjupa fält vid det 237:e mötet i American Astronomical Society, på uppdrag av en grupp astronomer som spänner över mer än 30 institutioner.

Som ett exempel, ett romerskt ultradjupt fält skulle kunna likna Hubble Ultra Deep Field – titta i en enda riktning i några hundra timmar för att bygga upp en extremt detaljerad bild av mycket svag, avlägsna föremål. Men medan Hubble fångat tusentals galaxer på detta sätt, Roman skulle samla in miljoner. Som ett resultat, det skulle möjliggöra ny vetenskap och avsevärt förbättra vår förståelse av universum.

Universums struktur och historia

Mest spännande är kanske möjligheten att studera det mycket tidiga universum, som motsvarar de mest avlägsna galaxerna. Dessa galaxer är också de sällsynta:till exempel, endast en handfull ses i Hubble Ultra Deep Field.

Tack vare Romans breda synfält och nära-infraröda data av liknande kvalitet som Hubbles, den kan upptäcka många hundra, eller möjligen tusentals, av dessa yngsta, mest avlägsna galaxer, bland miljontals andra galaxer. Det skulle låta astronomer mäta hur de grupperar sig i rymden såväl som deras åldrar och hur deras stjärnor har bildats.

"Roman skulle också ge kraftfulla synergier med nuvarande och framtida teleskop på marken och i rymden, inklusive NASA:s James Webb rymdteleskop och andra, sa Koekemoer.

Går framåt i kosmisk tid, Roman skulle plocka upp ytterligare galaxer som fanns omkring 800 miljoner till 1 miljard år efter big bang. Vid den tiden, galaxer hade precis börjat gruppera sig till kluster under påverkan av mörk materia. Medan forskare har simulerat denna process att bilda storskaliga strukturer, ett romerskt ultradjupt fält skulle ge exempel från verkliga världen för att testa dessa simuleringar.

Stjärnbildning över kosmisk tid

Det tidiga universum upplevde också en eldstorm av stjärnbildning. Stjärnor föddes i takter hundratals gånger snabbare än vad vi ser idag. Särskilt, astronomer är ivriga att studera "kosmisk gryning" och "kosmisk middag, "som tillsammans täcker en tid 500 miljoner till 3 miljarder år efter den stora smällen när det mesta av stjärnbildningen ägde rum, samt när supermassiva svarta hål var som mest aktiva.

"Eftersom Romans synfält är så stort, det kommer att förändras. Vi skulle kunna prova inte bara en miljö i ett smalt synfält, utan istället en mängd olika miljöer fångade av Romans storögda syn. Detta kommer att ge oss en bättre känsla av var och när stjärnbildningen ägde rum, " förklarade Sangeeta Malhotra från NASA Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Malhotra är en medutredare i de romerska vetenskapsutredningsteamen som arbetar med kosmisk gryning, och har lett program som gör djupspektroskopi med Hubble, att lära sig om avlägsna, unga galaxer.

Astronomer är ivriga att mäta stjärnbildningshastigheter i denna avlägsna epok, som kan påverka en mängd olika faktorer såsom mängden observerade tunga ämnen. Hastigheten för stjärnbildning kan bero på om en galax ligger inom en stor klunga eller inte. Roman kommer att kunna ta svaga spektra som visar distinkta "fingeravtryck" av dessa element, och ge exakta avstånd (kallade rödförskjutningar) av galaxer.

"Befolkningsexperter kanske frågar, vilka skillnader finns det mellan människor som bor i storstäder, kontra de i förorten, eller landsbygd? Liknande, som astronomer kan vi fråga, lever de mest aktiva stjärnbildande galaxerna i mycket grupperade områden, eller bara vid kanterna av kluster, eller lever de isolerade?" sa Malhotra.

Big data och maskininlärning

En av de största utmaningarna för det romerska uppdraget kommer att vara att lära sig hur man analyserar överflöd av vetenskaplig information i de offentliga datamängder som den kommer att producera. På sätt och vis, Roman kommer att skapa nya möjligheter, inte bara när det gäller skyltäckning, men även inom datautvinning.

Ett romerskt ultradjupt fält skulle innehålla information om miljontals galaxer – alldeles för många för att kunna studeras av forskare en i taget. Maskininlärning – en form av artificiell intelligens – kommer att behövas för att bearbeta den enorma databasen. Även om detta är en utmaning, det erbjuder också en möjlighet. "Du kan utforska helt nya frågor som du inte tidigare kunde ta upp, sa Koekemoer.

"Den upptäcktspotential som möjliggörs av de enorma datamängderna från det romerska uppdraget kan leda till genombrott i vår förståelse av universum, utöver vad vi för närvarande kan föreställa oss, ", tillade Koekemoer. "Det kan vara Romans bestående arv för det vetenskapliga samfundet:inte bara genom att svara på de vetenskapliga frågorna vi tror att vi kan ta itu med, men också nya frågor som vi ännu inte har tänkt på."