När NASA:s romerska rymdteleskop Nancy Grace lanseras i mitten av 2020-talet, det kommer att revolutionera astronomi genom att tillhandahålla ett panoramasynfält som är minst 100 gånger större än Hubbles vid liknande bildskärpa, eller upplösning. Det romerska rymdteleskopet kommer att undersöka himlen upp till tusentals gånger snabbare än vad som kan göras med Hubble. Denna kombination av brett fält, hög upplösning, och en effektiv undersökningsmetod lovar nya förståelser inom många områden, särskilt i hur galaxer bildas och utvecklas över kosmisk tid. Hur sattes de största strukturerna i universum ihop? Hur kom vår Vintergatans galax till i sin nuvarande form? Dessa är bland frågorna som Roman kommer att hjälpa till att besvara.

Galaxer är konglomerationer av stjärnor, gas, damm, och mörk materia. Den största kan sträcka sig över hundratusentals ljusår. Många samlas i kluster som innehåller hundratals galaxer, medan andra är relativt isolerade.

Hur galaxer förändras över tiden beror på många faktorer:t.ex. deras historia av stjärnbildning, hur snabbt de bildade stjärnor med tiden, och hur varje generation av stjärnor påverkade nästa genom supernovaexplosioner och stjärnvindar. För att reta ut dessa detaljer, astronomer behöver studera ett stort antal galaxer.

"Roman kommer att ge oss förmågan att se svaga föremål och att se galaxer över långa tidsintervaller av kosmisk tid. Det kommer att tillåta oss att studera hur galaxer samlades och transformerades, sade Swara Ravindranath, en astronom vid Space Telescope Science Institute (STScI) i Baltimore, Maryland.

Även om bredfältsavbildning kommer att vara viktig för galaxstudier, lika viktiga är Romans spektroskopiska förmågor. En spektrograf tar ljus från ett föremål och sprider det till en regnbåge av färger som kallas ett spektrum. Från denna färgskala, astronomer kan få fram många detaljer som annars inte är tillgängliga, som ett objekts avstånd eller komposition. Romans förmåga att tillhandahålla ett spektrum av varje objekt inom synfältet, kombinerat med romersk bildbehandling, kommer att göra det möjligt för astronomer att lära sig mer om universum än från enbart avbildning eller spektroskopi.

Avslöjar när och var stjärnor föddes

Galaxer bildar inte stjärnor i en konstant hastighet. De snabbar upp och saktar ner – bildar fler eller färre stjärnor – under påverkan av en mängd olika faktorer, från kollisioner och sammanslagningar till supernovachockvågor och vindar i galaxskala som drivs av supermassiva svarta hål.

Genom att studera en galaxs spektrum i detalj, astronomer kan utforska historien om stjärnbildning. "Genom att använda Roman kan vi uppskatta hur snabbt galaxer gör stjärnor och hitta de mest produktiva galaxerna som producerar stjärnor i en enorm hastighet. Ännu viktigare, vi kan inte bara ta reda på vad som händer i en galax i det ögonblick vi observerar den, men vad dess historia har varit, " sa Lee Armus, en astronom vid IPAC/Caltech i Pasadena, Kalifornien.

Vissa brådmogna galaxer födde stjärnor mycket snabbt under en kort tid, bara för att sluta bilda stjärnor förvånansvärt tidigt i universums historia, genomgår en snabb övergång från livlig till "död".

"Vi vet att galaxer stänger av stjärnbildning, men vi vet inte varför. Med Romans breda synfält, vi har en bättre chans att fånga dessa galaxer på bar gärning, sa Kate Whitaker, en astronom vid University of Massachusetts i Amherst.

Att växa den kosmiska webben

Även när galaxerna själva har vuxit över tiden, de har också samlats i grupper för att bilda invecklade strukturer miljarder ljusår tvärs över. Galaxer tenderar att samlas till bubblor, lakan, och filament, skapa ett stort kosmiskt nät. Genom att kombinera högupplöst bildbehandling, som ger en galax position på himlen, med spektroskopi, som ger ett avstånd, astronomer kan kartlägga denna webb i tre dimensioner och lära sig om universums storskaliga struktur.

Universums expansion sträcker ljus från avlägsna galaxer till längre, rödare våglängder – ett fenomen som kallas rödförskjutning. Ju längre bort en galax är, desto större är rödförskjutningen. Romans infraröda detektorer är idealiska för att fånga ljus från dessa galaxer. Mer avlägsna galaxer är också svagare och svårare att upptäcka. Att kombinera detta med det faktum att vissa galaxtyper är sällsynta, du måste söka ett större område av himlen med ett känsligare observatorium för att hitta de föremål som ofta har de mest intressanta historierna att berätta.

"Just nu, med teleskop som Hubble kan vi ta prov på tiotals galaxer med hög rödförskjutning. Med Roman, vi kommer att kunna ta prov på tusentals, " förklarade Russell Ryan, en astronom vid STScI.

Söker det okända

Medan astronomer kan förutse många av upptäckterna av det romerska rymdteleskopet, kanske mest spännande är möjligheten att hitta saker som ingen kunde ha förutsett. Typiska högupplösta observationer från rymdbaserade observatorier som Hubble, rikta in specifika objekt för detaljerad undersökning. Romans undersökningsmetod kommer att kasta ett brett nät, därigenom öppnas ett nytt "upptäckarrum".

"Roman kommer att utmärka sig i okända okända. Den kommer säkerligen att finna sällsynta, exotiska saker som vi inte förväntar oss, sa Ryan.

"Romans kombinerade avbildnings- och spektroskopiundersökningar kommer att samla in "guldklumparna" som vi aldrig skulle ha brutit annars, " tillade Ravindranath.