La mission Roman de la NASA pourrait nous dire si l’univers finira par se déchirer.

Concept d'expansion de l'Univers

;” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>NASA’s Nancy Gracy Roman Space Telescope won’t launch until 2027, and it won’t start operating until some time after that. But that isn’t stopping excited scientists from dreaming about their new toy and all it will do. Who can blame them?

A new study examines the Roman Space Telescope’s power in detail to see if it can help us answer one of our most significant questions about the Universe. The question?

Will the Universe keep expanding and tear itself apart in a Big Rip?

NASA hasn’t finalized the Roman Telescope’s mission design yet. There’s still room to tweak things, and this study is an effort to explore how they might tweak it for best results.

The study is “The High Latitude Spectroscopic Survey on the Nancy Grace Roman Space Telescope,” published in The Astrophysical Journal. The lead author is Yun Wang, a senior research scientist at Caltech/IPAC in Pasadena, California. The Roman Telescope will have multiple tools in its toolbox, and this study focuses on spectroscopy and how it’ll map the historic expansion of the Universe.

“Our study forecasts the science Roman’s spectroscopy survey will enable and shows how various adjustments could optimize its design,” said lead author Wang.

NASA Nancy Grace Roman Space Telescope

NASA’s Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) is now named the Nancy Grace Roman Space Telescope, after NASA’s first Chief of Astronomy. Credit: NASA

The Roman will conduct a High Latitude Wide Area Survey (HLWAS). The High Latitude Spectroscopic Survey (HLSS) is the spectroscopic part of the HLWAS outlined in this study. The HLWAS is one of the telescope’s featured science objectives, along with novel approaches to exoplanet science. HLSS is a high-volume precision survey of millions of galaxies dating back billions of years. The Survey’s primary goal is to study universal expansion over the Universe’s history. The HLSS is so deep and wide that it’ll enable science that isn’t possible with other existing telescopes.

“While this survey is designed to explore cosmic acceleration, it will also offer clues about many other tantalizing mysteries,” said Wang. “It will help us understand the first generation of galaxies, allow us to map dark matter, and even reveal information about structures that are much closer to home, right in our local group of galaxies.”

Roman vs Hubble Field of View

The Roman Space Telescope’s field of view will dwarf the Hubble’s. (No disrespect to the venerable Hubble, The Bringer of Knowledge.) Credit: NASA/GSFC/JPL

Roman’s HLSS relates to Universal expansion, Dark Energy, and Einstein’s Theory of General Relativity (TGR). Obviously, those are all deep and detailed topics, and they won’t fit in a Kurzgesagt-sized nutshell, but here’s how they fit together.

In 1915, when Einstein first put forth his TGR, nobody thought the Universe was expanding. TGR succeeded in explaining things Newtonian Gravity couldn’t. But it had a flaw. Einstein himself realized that his theory predicted that a static Universe was unstable, and it either has to expand or contract to be stable. But he rejected that, and he tripped himself up by introducing the now-notorious ‘cosmological constant’ to compensate. He used it to counteract the effect of gravity and achieve a static Universe. Einstein later called this his greatest blunder.

Then in the 1920s, astronomers discovered that the Universe is expanding. Bye-bye cosmological constant. American astronomer Edwin Hubble played a prominent role in the discovery, and the rule describing the expansion is called Hubble’s Law. (Sidebar: Belgian scientist and priest Georges Lemaître did earlier work on expansion, but he published his work in an obscure journal. Now Hubble’s Law is increasingly referred to as the Hubble–Lemaître law.) They discovered that galaxies are all moving away from each other, with only a very few exceptions. The Universe is expanding.

The expansion of the Universe was and is a mystery. Scientists have a placeholder name for the force that must be driving the expansion: Dark Energy.

For a long time, cosmologists thought the expansion was slowing. But it turns out that’s not true.

In 1998 scientists discovered that the Universe’s rate of expansion is accelerating. It shouldn’t be because the gravity from all the matter should slow the expansion down. With that discovery, the cosmological constant came back into play. It’s now the simplest explanation for the accelerating expansion. The cosmological constant is represented by the Greek capital letter lambda: Λ.

Evolution of the Universe Sketch

This image shows the expansion of the Universe accelerating. Time flows from bottom to top. Credit: Ann Feild (STScI)

Wouldn’t it be nice if the interminable guessing over the fate of the Universe was over? Wouldn’t it be fun to know how the Universe will end? (Lawrence Krauss thinks so.) It’d be as much fun as knowing what triggered its beginning. Imagine how popular you’d be at cocktail parties.

This brings us to the Roman Telescope and its High Latitude Spectroscopic Survey. The HLSS might be able to tell us about the future of the Universe’s expansion and if the Universe will continue to expand faster and faster and end in a Big Rip.

In their paper, the authors clarify the overall goal of the Survey. There are two top-level questions:

  1. Is cosmic acceleration caused by a new energy component or by the breakdown of general relativity (GR) on cosmological scales?
  2. If the cause is a new energy component, is its energy density constant in space and time, or has it evolved over the history of the universe?

There’s no magic to this. In a way, there’s brute force involved. The more of the Universe you can measure, and the more precisely you can measure it, the more accurate your conclusions are likely to be. This is behind the drive for larger, more precise telescopes like the Roman Space Telescope. The answers to our questions are more complex and harder to find.

In the paper, the authors present a reference design for the HLSS. The Roman’s HLSS will cover nearly 2,000 square degrees or about 5% of the sky in about seven months. This is a considerable improvement over other telescopes like the Hubble. “Right now, with telescopes like Hubble, we can sample tens of high-redshift galaxies. With Roman, we’ll be able to sample thousands,” explained Russell Ryan, an astronomer at STScI.

“Although Roman could execute a shallow and wide-area survey comparable to Euclid’s in approximately 1 yr of observing time, the deeper survey proposed here is a better complement to other surveys and more effectively exploits the capabilities of Roman’s larger aperture,” the paper states. “Per unit observing time, Roman is an extraordinarily efficient facility for slitless spectroscopic surveys, so it is well-positioned to respond to developments in experimental cosmology between now and mission launch in the mid-2020s.”

The new study shows that Roman’s HLSS should precisely measure 10 million galaxies from when the Universe was between three to six billion years old. Astronomers will use that data to map the large-scale structure of the Universe.

Les cosmologistes ont déjà cartographié la structure à grande échelle, mais le HLSS du télescope romain permettra de franchir une étape supplémentaire. Le HLSS nous indiquera les distances d’environ deux millions de galaxies à l’époque où l’Univers n’avait que deux à trois milliards d’années. Cela n’a jamais été fait auparavant et constituera une nouvelle donnée.

Cela se résume à mesurer autant de choses que possible avec la plus grande précision possible. Si le télescope romain peut apporter une nouvelle profondeur et une nouvelle ampleur à notre compréhension de la structure à grande échelle de l’Univers au fil du temps, nous pourrons comprendre l’histoire de l’expansion de l’Univers. Alors, peut-être, nous aurons enfin notre réponse.

“Roman déterminera l’histoire de l’expansion de l’Univers afin de tester les explications possibles de son apparente accélération, notamment l’énergie sombre et la modification de la gravité d’Einstein”, écrivent les auteurs dans leur article. “Roman déterminera l’histoire de la croissance des plus grandes structures de l’univers afin de tester les explications possibles de son expansion apparemment accélérée, notamment l’énergie sombre et la modification de la gravité d’Einstein…”

Cette vidéo passe de la collection entière de cubes de décalage vers le rouge en 55 secondes. Au fur et à mesure de l’expansion de l’Univers, la densité des galaxies dans chaque cube diminue, passant de 528 000 dans le premier cube à 80 dans le dernier. Chaque cube a un diamètre d’environ 100 millions d’années-lumière. Les galaxies se sont assemblées le long de vastes filaments de gaz séparés par d’immenses vides, une structure en forme de mousse dont l’Univers actuel se fait l’écho à de grandes échelles cosmiques. Cette visualisation montre le nombre et le regroupement de galaxies simulées à différents âges cosmiques, allant de 4 % à 43 % de l’âge actuel de l’Univers, soit 13,8 milliards d’années. Chaque cube représente un volume fixe d’espace, environ 100 millions d’années-lumière par côté. Au fil des séquences, l’expansion de l’Univers fait rapidement baisser la densité des galaxies. Chaque cube indique un décalage vers le rouge cosmologique spécifique, de 9 à 1, les premiers cubes étant plus rouges.

Cette dernière phrase décrit où nous en sommes actuellement. L’Univers est en expansion, et l’expansion s’accélère. Cela ne devrait pas être le cas, car la gravité de toute la matière de l’Univers devrait freiner cette expansion. L’accélération signifie que la théorie de la gravité d’Einstein n’est pas tout à fait correcte. Ou cela signifie que nous devons ajouter un nouveau composant énergétique à l’Univers : l’énergie sombre.

Comme expliqué dans son TGR, la gravité d’Einstein est exacte, jusqu’à un certain point. Il en était de même pour celle de Newton jusqu’à ce que nous puissions observer de plus grandes portions de l’Univers. La gravité de Newton décrit avec précision ce qui se passe avec la gravité à l’échelle locale, et la gravité d’Einstein explique avec précision ce qui se passe à une échelle encore plus grande. Mais maintenant, nous sommes confrontés à l’Univers tout entier, et notre compréhension est inadéquate.

Cette étude simule ce que le Roman peut apporter à la question. Les images 3D de l’Univers, vastes et profondes, du télescope Roman sont une nouvelle occasion de discerner entre les principales théories qui tentent d’expliquer l’accélération cosmique : une théorie modifiée de la gravité ou l’énergie sombre.

La science ne peut que gagner. L’un ou l’autre résultat nous rapproche.

“Pour éclairer la nature inconnue de l’accélération cosmique, nous devons mesurer deux fonctions libres du temps : l’histoire de l’expansion cosmique et le taux de croissance de la structure à grande échelle”, écrivent les auteurs. “Celles-ci peuvent nous indiquer si l’énergie sombre varie avec le temps et s’il s’agit d’une composante énergétique inconnue (par exemple, une constante cosmologique), ou de la conséquence de la modification de la relativité générale en tant que théorie de la gravité.”

Infographie cosmologique sur le décalage vers le rouge du télescope spatial romain

Ce graphique illustre le fonctionnement du redshift cosmologique et la manière dont il offre des informations sur l’évolution de l’univers. L’univers est en expansion, et cette expansion étire la lumière qui voyage dans l’espace. Plus elle s’étire, plus le décalage vers le rouge est important et plus la distance qui sépare l’univers de la Terre est lumière a voyagé. Par conséquent, nous avons besoin de télescopes équipés de détecteurs infrarouges pour voir la lumière des premières galaxies les plus lointaines. Crédit : NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

“Nous pouvons nous attendre à une nouvelle physique dans les deux cas – que nous apprenions que l’accélération cosmique est causée par l’énergie sombre ou que nous découvrions que nous devons modifier la théorie de la gravité d’Einstein”, a déclaré Wang. “Roman va tester les deux théories en même temps”.

Les auteurs soulignent que leur HLSS de référence est un exemple de la façon dont on pourrait mettre en œuvre l’enquête spectroscopique à large zone de haute latitude sur Roman. “L’enquête réelle que Roman exécutera sera définie dans un processus communautaire ouvert avant le lancement, en tenant compte du paysage des projets d’énergie noire et de leurs synergies”, écrivent-ils.

Saurons-nous un jour comment l’Univers se termine ? Peut-être qu’un jour nous le saurons, et nous pourrons en parler lors de cocktails. Et nous pourrons parler de la façon dont le télescope spatial Nancy Gracy Roman nous a aidés à trouver notre réponse.

Publié à l’origine sur Universe Today.

Pour plus d’informations sur ce sujet, voir Dark Energy Vs. Modified Gravity : La mission Roman de la NASA testera les théories concurrentes de l’accélération cosmique.

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