Pendant des milliers d'années, l'humanité considérait le ciel comme immuable, à l'exception de quelques « étoiles errantes » (que nous savons maintenant être des planètes). Alors que nous améliorons notre capacité à percevoir le cosmos avec des télescopes et des détecteurs électroniques de la lumière, nous avons réalisé que l'univers est plein de choses qui changent de luminosité, qu'il s'agisse d'une étoile explosive ou d'un trou noir gulping.
Le télescope spatial romain de Nancy Grace de la NASA est sur le point de livrer une avalanche de ces transitoires, y compris des milliers de supernovae de « bougie standard » qui nous permettent de mesurer l'histoire de l'expansion de l'univers.
Le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA sera une machine de découverte, grâce à son large champ de vision et à son torrent de données qui en résulte. Prévue pour lancer au plus tard en mai 2027, l'équipe travaillant au lancement dès l'automne 2026, son instrument large sur le terrain en presque infrarouge capturera une zone 200 fois plus grande que la caméra infrarouge du télescope spatial Hubble, et avec la même netteté et la même sensibilité.
Roman consacrera environ 75% de son temps d'observation scientifique au cours de sa mission principale sur cinq ans pour mener trois enquêtes communautaires de base qui ont été définies en collaboration par la communauté scientifique. L'une de ces enquêtes parcourira le ciel pour des choses qui éclatent, flash et changent autrement, comme l'explosion d'étoiles et en collision des étoiles à neutrons.
Appelée l'enquête sur le domaine temporel à haute latitude, ce programme regardera en dehors de l'avion de notre galaxie de la voie lactée (c'est-à-dire, les latitudes galactiques élevées) pour étudier des objets qui changent au fil du temps. L'objectif principal de l'enquête est de détecter des dizaines de milliers d'un type particulier d'étoile explosive connue sous le nom de supernovae de type IA. Ces supernovae peuvent être utilisées pour étudier comment l'univers s'est étendu au fil du temps.
« Roman est conçu pour trouver des dizaines de milliers de supernovae de type IA à de plus grandes distances que jamais », a déclaré Masao Sako de l'Université de Pennsylvanie, qui a été coprésidente du comité qui a défini le relevé dans le domaine du temps de haute latitude. « En les utilisant, nous pouvons mesurer l'histoire de l'expansion de l'univers, qui dépend de la quantité de matière noire et d'énergie sombre. En fin de compte, nous espérons en savoir plus sur la nature de l'énergie sombre. »
Sonder l'énergie sombre
Les supernovae de type IA sont utiles comme sondes cosmologiques parce que les astronomes connaissent leur luminosité intrinsèque, ou à quel point ils sont brillants, à leur apogée. En comparant cela avec leur luminosité observée, les scientifiques peuvent déterminer à quelle distance ils sont. Roman pourra également mesurer la rapidité avec laquelle ils semblent s'éloigner de nous. En suivant la vitesse à laquelle ils reculent à différentes distances, les scientifiques retraceront l'expansion cosmique au fil du temps.
Seul Roman pourra trouver les supernovae les plus faibles et les plus éloignées qui illuminent les époques cosmiques précoces. Il complétera les télescopes au sol comme l'Observatoire Vera C. Rubin au Chili, qui sont limités par l'absorption de l'atmosphère terrestre, entre autres effets. La plus grande force de Rubin sera de trouver des supernovae qui s'est produite au cours des 5 dernières années.
Roman élargira cette collection à des temps beaucoup plus tôt dans l'histoire de l'univers, environ 3 milliards d'années après le Big Bang, ou jusqu'à 11 milliards d'années dans le passé. Cela doublerait plus que le calendrier mesuré de l'histoire de l'expansion de l'univers.
Récemment, l'enquête sur l'énergie noire a révélé des indices que l'énergie sombre peut s'affaiblir avec le temps, plutôt que d'être une force constante d'expansion. Les enquêtes de Roman seront essentielles pour tester cette possibilité.
Recherche de phénomènes exotiques
Pour détecter les objets transitoires dont la luminosité change avec le temps, Roman doit revoir les mêmes champs à intervalles réguliers. L'enquête sur le domaine du temps à haute latitude consacrera un total de 180 jours d'observation du temps à ces observations réparties sur une période de cinq ans. La plupart se produiront sur une période de deux ans au milieu de la mission, revisitant les mêmes domaines une fois tous les cinq jours, avec 15 jours d'observations supplémentaires au début de la mission d'établir une ligne de base.
« Pour trouver des choses qui changent, nous utilisons une technique appelée soustraction de l'image », a déclaré Sako. « Vous prenez une image, et vous soustraire une image du même morceau de ciel qui a été prise beaucoup plus tôt – aussi tôt que possible dans la mission. Vous supprimez donc tout ce qui est statique, et vous vous retrouvez avec des choses qui sont nouvelles. »
L'enquête comprendra également un composant étendu qui revisitera certains des champs d'observation environ tous les 120 jours pour rechercher des objets qui changent sur de longues échelles de temps. Cela aidera à détecter les transitoires les plus éloignés qui existèrent aussi longtemps qu'un milliard d'années après le Big Bang. Ces objets varient plus lentement en raison de la dilatation du temps causée par l'expansion de l'univers.
« Vous bénéficiez vraiment de prendre des observations sur toute la durée de cinq ans de la mission », a déclaré Brad Cenko du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, l'autre coprésident du comité d'enquête. « Cela vous permet de capturer ces événements très rares et très éloignés qui sont vraiment difficiles à obtenir d'une autre manière, mais qui nous en disent beaucoup sur les conditions de l'univers précoce. »
Ce composant étendu collectera des données sur certains des transitoires les plus énergiques et les plus durables, tels que les événements de perturbation des marées – lorsqu'un trou noir supermassif déchiquete une étoile – ou des événements prédits mais encore invisibles connus sous le nom de supernovae d'installarité par paire, où une étoile massive explose sans laisser derrière une étoile à neutrons ou un trou noir.
Détails de l'enquête
L'enquête dans le domaine temporel à haute latitude sera divisée en deux «niveaux» d'imagerie – un niveau large qui couvre plus de superficie et un niveau profond qui se concentrera sur une zone plus petite pour une période plus longue pour détecter les objets plus faibles. Le niveau large, totalisant un peu plus de 18 degrés carrés, ciblera des objets au cours des 7 milliards d'années, ou la moitié de l'histoire de l'univers. Le niveau profond, couvrant une superficie de 6,5 degrés carrés, atteindra des objets plus faibles qui existaient jusqu'à 10 milliards d'années.
Les observations auront lieu dans deux zones, une dans le ciel du nord et une dans le ciel sud. Il y aura également une composante spectroscopique de cette enquête, qui sera limitée au ciel sud.
« Nous avons un partenariat avec l'Observatoire Subaru au sol, qui fera le suivi spectroscopique du ciel nord, tandis que Roman fera la spectroscopie dans le ciel sud. Avec la spectroscopie, nous pouvons dire avec confiance quel type de supernovae que nous voyons », a déclaré Cenko.
En collaboration avec les deux autres enquêtes communautaires de Roman, le sondage large de la grande latitude et l'enquête Galactic Bulge dans le domaine du temps, l'enquête dans le domaine du temps à haute latitude aidera à cartographier l'univers avec une clarté et à une profondeur jamais réalisée auparavant.
