Miliony galaktyk na jednym zdjęciu, czyli Ultragłębokie Pole, ale nie Hubble’a

Dziś wszyscy emocjonujemy się teleskopem Webb, którego misja jak na razie jest wielkim sukcesem. Czekamy też niecierpliwie na pierwsze zdjęcia z tego teleskopu, ale nie należy zapominać, że Webb, choć bardzo ważny, jest tylko kroplą w morzu potrzeb astronomii obserwacyjnej.

Zanim jednak przejdziemy do tematu Ultragłębokiego Pola przypomnijmy sobie, że...

...Hubble jest najbardziej znany, ale są też inne kosmiczne obserwatoria

Hubble jest dyżurnym przykładem obserwatorium kosmicznego, tym, o którego wynikach obserwacji najwięcej się mówi. Do momentu rozpoczęcia obserwacji przez Webba pozostaje największym funkcjonującym teleskopem w kosmosie, ale lista tego typu urządzeń jest długa. Mieliśmy na przykład teleskop Kepler, który dostarczył nam ogromnych baz danych pomocnych w poszukiwaniu planet pozasłonecznych. Albo przeznaczony do obserwacji nieba w podczerwieni Spitzer, który oprócz obserwacji galaktyk i gwiazd, również okazał się pomocny w badaniach planet pozasłonecznych.

Teleskop, a w zasadzie teleskopy TESS, czyli Transiting Exoplanet Survey Satellite. Dla porównania rozmiaru dwójka techników

Wspomniane dwa teleskopy nie są już aktywne, za to wciąż działają kosmiczne obserwatoria Gaia (pomiary pozycji gwiazd) i TESS (poszukiwanie planet pozasłonecznych metodą tranzytów, przy jednoczesnym monitoringu większości nieba). Koniec obecnych faz obu projektów, przeznaczonych do wielkoskalowych przeglądów nieba, planowany jest na ten rok.

Hubble, Webb i teleskop Nancy Grace Roman

Hubble jest obecnie najbardziej uniwersalnym teleskopem na orbicie Ziemi. Jednym z niewielu, które mogą obserwować także w ultrafiolecie. To między innymi z tego powodu NASA tak martwi się o stan tego teleskopu. Gdyby go zabrakło upadłby jeden z największych programów obserwacji nieba właśnie w ultrafiolecie.

Webb traktowany jest często jako następca Hubble’a, ale nie jest to do końca dobre porównanie. Zakres obserwowanych długości fal światła (bliska i średnia podczerwień) sprawi, że będzie to coś pośredniego pomiędzy już wyłączonym Spitzerem (podczerwień), a właśnie Hubblem (światło widzialne, bliska podczerwień).

Wizualizacja teleskopu Nancy Grace Roman. Podobnie jak Webb nie będzie to teleskop, który naukowcy zamierzają kiedykolwiek serwisować

Tymczasem do połowy 2027 roku, również w okolice punktu L2 w pobliżu Ziemi, podobnie jak Webb, ma trafić teleskop Nancy Grace Roman (NGR). Wyposażono go w zwierciadło o średnicy 2,4 metra. NGR przypomina pod wieloma względami teleskop Hubble, więc traktowanie go jako następcy jest w dużym stopniu uzasadnione.

Podstawowa różnica pomiędzy Hubble a teleskopem NGR to pole widzenia

Teleskop NGR będzie miał inną strategię obserwacyjną niż Hubble. Na jego pokładzie znajdą się tylko dwa instrumenty. Za to nie byle jakie. Jeden z nich, tzw. Coronagraph Instrument (CGI), pozwoli na precyzyjne obserwacje otoczenia różnych gwiazd. Drugi, który budzi najwięcej emocji, to Wide-Field Instrument (WFI) z 300 Mpix kamerą.

Konstrukcja optyczna teleskopu NGR w połączeniu z WFI zapewni pole widzenia 100 razy większe niż w przypadku Hubble’a i kamery ACS przy zachowaniu tej samej rozdzielczości obrazu. W przypadku zdjęć w podczerwieni wykonanych Hubblem i kamerą WFC3 będzie to nawet 200 razy więcej.

Porównanie rozmiaru Księżyca w pełni, galaktyki w Andromedzie oraz symulowanego pokrycia polem widzenia instrumentów teleskopu NGR

Teleskop NGR zobaczy wciąż niewielki skrawek nieba, o powierzchni 0,28 stopnia kwadratowego, czyli trochę większym niż rozmiar Księżyca w pełni. Jednak obserwowany jednocześnie, a nie w trakcie wielu niezależnych sesji jak musiałby to uczynić Hubble. Szacuje się, że w ciągu pierwszych 5 lat pracy, teleskop NGR pokryje obserwacjami 50 razy większy obszar nieba niż był to w stanie zrobić Hubble w ciągu swojej ponad 30 letniej kariery.

(Ultra)głębokie Pole Hubble’a, czyli zdjęcia najodleglejszych rejonów kosmosu

Już od momentu wyniesienia teleskopu Hubble na orbitę wiadomo było, że jedną z korzyści płynących z takiego obserwatorium na orbicie, będzie szansa wykonania bardzo długich ekspozycji wybranego fragmentu nieba, by dojrzeć bardzo słabe, a zarazem bardzo odległe i młode galaktyki.

Hubble Ultra Deep Field w wersji z 2014 roku

Hubble swoje pierwsze takie zdjęcie, zwane Głębokim Polem Hubble’a (HDF), wykonał już w 1995 roku. Potem taką obserwację powtarzano, wybierając inne miejsca na niebie, stosując inne filtry. Najczęściej przywoływane obecnie zdjęcie tego typu, upublicznione w 2014 roku, to połączenie obserwacji od ultrafioletu po bliską podczerwień. Jest wersją Ultragłębokiego Pola Hubble’a (HUDF), które powstało dekadę wcześniej.

Teleskop NGR zrobi Ultragłębokie Pole sto razy wydajniej niż Hubble

Astronomowie tworząc HUDF musieli poświęcić prawie 280 godzin czasu obserwacyjnego na teleskopie Hubble z pomocą różnych instrumentów. Nie była to pojedyncza ekspozycja, a sekwencja łączonych potem obrazów. Nie uwzględniamy tutaj czasu, który konieczny był do przetworzenia składowych zdjęć. W 2027 roku, ze względu na postęp w technologiach komputerowych, mimo większej liczby danych z teleskopu NGR, będzie on z pewnością mniejszy.

W przyszłości dzięki teleskopowi NGR, astronomowie poświęcając taki sam czas zobrazują 100 razy większy obszar nieba niż byłby to w stanie wykonać Hubble w obecnej konfiguracji. Ujmując rzecz inaczej, to tak jakby w tym samym czasie 100 teleskopów Hubble’a wykonywało swoje Ultragłębokie Pole.

Obszar nieba pokryty przez HUDF zaznaczono na niebiesko, a dwie wstawki to powiększenie wybranych jego fragmentów. Biały obrys to pole obserwacji Hubble'a o zmniejszonym zasięgu (czasie ekspozycji). Złote ramki wizualizują obszar objęty przez sensory teleskopu NGR na pojedynczym ujęciu

Im większy obszar nieba uda się uchwycić na takich Ultragłębokich Polach, tym więcej dowiemy się o wczesnych etapach istnienia kosmosu w szerszej skali. Dotychczasowe obserwacje Hubble’a pomogły przebadać precyzyjnie region, który zawiera około 10 tysięcy galaktyk. Szersze pole obserwacyjne, ale o mniejszej głębokości (zasięgu obserwacji), w przypadku Hubble’a pozwoliło na poznanie populacji około 265 tysięcy galaktyk.

Korzyści z Ultragłębokiego Pola teleskopu NGR

Teleskop NGR na jednym zdjęciu uchwyci nawet kilka milionów galaktyk, w tym takich, które istniały w czasie gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat. Roman Ultra Deep Field, jak nazwano te przyszłe zdjęcia głębokiego kosmosu, pokaże nie tylko więcej galaktyk ze względu na szersze pole widzenia, ale także rozszerzy zakres obserwacji w czasie, czyli dostrzeże te istniejące jeszcze później w historii wszechświata.

Ultragłębokie Pole teleskopu NGR poprawi naszą wiedzę o czasie, gdy zaczynały się tworzyć struktury większe niż pojedyncze galaktyki, czyli ich gromady, supergromady. A potem pustki i włókna materii, wszystko prawdopodobnie z udziałem ciemnej materii.

Można założyć, że teleskop NGR nie ograniczy się do pojedynczego Ultragłębokiego Pola. Będzie obserwował coraz to kolejne połacie nieba, by przyczynić się do stworzenia jak najdokładniejszego obrazu głębokiego kosmosu. Zaowocuje to ogromną liczbą informacji, które będą musieli przetworzyć astronomowie w przyszłości.

Nie tylko teleskop NGR, będzie też Euklides i obserwatorium Very C. Rubin

Wspominając o teleskopie NGR, czyli przedsięwzięciu NASA, nie sposób zapomnieć o innym kosmicznym obserwatorium, które na orbitę ma trafić już niebawem, bo jesienią tego roku, a obserwacje rozpocząć w 2023. To europejski teleskop Euklides (ang. Euclid), wyposażony w jeszcze większą liczbę megapikseli w swojej kamerze, jednakże z mniejszym zwierciadłem niż teleskop NGR.

Teleskop Euclid jest już na bardzo zaawansowanym etapie budowy

Jedynie 1,2 metrowej średnicy, choć biorąc pod uwagę rozmiary wszystkich kosmicznych obserwatoriów wcale nie takim małym. Zanim teleskop NGR trafi na orbitę, główna faza projektu Euklides, w tym pomiary przesunięć ku czerwieni dla odległych galaktyk, będzie już prawie zrealizowana.

Na przełomie 2022 i 2023 roku ruszą też regularne obserwacje teleskopem Very C. Rubin (wcześniej Large Synoptic Survey Telescope) zlokalizowanym w Chile. To teleskop ze zwierciadłem 8,4 metra i bardzo szerokim polem widzenia, przeznaczony do masowego przeglądu nieba, w którym pomoże 3,2 Gpix rozdzielczości kamera.

Te kosmiczne i naziemne obserwatoria będą się wzajemnie uzupełniać, by poprawić stan naszej wiedzy o zachowaniu się materii, tej widzialnej i niewidzialnej, a także jej wzajemnym oddziaływaniu w skalach międzygalaktycznych.

Źródło: NASA, ESA, NGR, inf. własna