Una delle immagini più iconiche del telescopio spaziale Hubble è l'Hubble Ultra Deep Field, che ha svelato miriadi di galassie in tutto l'universo, che risale a poche centinaia di milioni di anni dal Big Bang. Hubble ha osservato un singolo pezzo di cielo apparentemente vuoto per centinaia di ore a partire dal settembre 2003, e gli astronomi hanno svelato per la prima volta questo arazzo di galassie nel 2004, con ulteriori osservazioni negli anni successivi.

Il prossimo telescopio spaziale romano Nancy Grace della NASA sarà in grado di fotografare un'area del cielo almeno 100 volte più grande di Hubble con la stessa nitidezza. Tra le tante osservazioni che saranno rese possibili da questa ampia visione del cosmo, gli astronomi stanno considerando la possibilità e il potenziale scientifico di un "campo ultra profondo" del telescopio spaziale romano. Tale osservazione potrebbe rivelare nuove intuizioni su argomenti che vanno dalla formazione stellare durante la giovinezza dell'universo al modo in cui le galassie si raggruppano nello spazio.

Roman consentirà una nuova scienza in tutte le aree dell'astrofisica, dal sistema solare al confine dell'universo osservabile. Gran parte del tempo di osservazione di Roman sarà dedicato a rilevamenti su ampie aree del cielo. Però, sarà inoltre disponibile un po' di tempo di osservazione per la comunità astronomica generale per richiedere altri progetti. Un campo ultra profondo romano potrebbe giovare enormemente alla comunità scientifica, dicono gli astronomi.

"Come concetto di scienza comunitaria, potrebbero esserci entusiasmanti ritorni scientifici dalle osservazioni in campo ultra profondo di Roman. Vorremmo coinvolgere la comunità astronomica per pensare ai modi in cui potrebbero sfruttare le capacità di Roman, ", ha affermato Anton Koekemoer dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, Maryland. Koekemoer ha presentato l'idea del campo ultra-profondo romano al 237° meeting dell'American Astronomical Society, per conto di un gruppo di astronomi che abbraccia più di 30 istituzioni.

Come esempio, un campo ultra-profondo romano potrebbe essere simile al campo ultra-profondo di Hubble:guardare in un'unica direzione per alcune centinaia di ore per creare un'immagine estremamente dettagliata di oggetti lontani. Eppure, mentre Hubble catturava migliaia di galassie in questo modo, Roman avrebbe raccolto milioni. Di conseguenza, consentirebbe una nuova scienza e migliorerebbe enormemente la nostra comprensione dell'universo.

Struttura e storia dell'universo

Forse la cosa più eccitante è la possibilità di studiare l'universo primitivo, che corrisponde alle galassie più lontane. Quelle galassie sono anche le più rare:per esempio, solo una manciata è stata vista nell'Hubble Ultra Deep Field.

Grazie all'ampio campo visivo di Roman e ai dati nel vicino infrarosso di qualità simile a quelli di Hubble, potrebbe scoprirne molte centinaia, o forse migliaia, di questi più giovani, galassie più lontane, sparse tra i milioni di altre galassie. Ciò consentirebbe agli astronomi di misurare il modo in cui si raggruppano nello spazio, la loro età e il modo in cui si sono formate le loro stelle.

"Roman produrrebbe anche potenti sinergie con i telescopi attuali e futuri a terra e nello spazio, compreso il telescopio spaziale James Webb della NASA e altri, " disse Koekemoer.

Andando avanti nel tempo cosmico, Roman avrebbe raccolto ulteriori galassie che esistevano da circa 800 milioni a 1 miliardo di anni dopo il big bang. A quel tempo, le galassie stavano appena iniziando a raggrupparsi in ammassi sotto l'influenza della materia oscura. Mentre i ricercatori hanno simulato questo processo di formazione di strutture su larga scala, un campo ultra-profondo romano fornirebbe esempi reali per testare tali simulazioni.

Formazione stellare nel tempo cosmico

L'universo primordiale ha anche sperimentato una tempesta di fuoco di formazione stellare. Le stelle nascevano a ritmi centinaia di volte più veloci di quelli che vediamo oggi. In particolare, gli astronomi sono desiderosi di studiare "l'alba cosmica" e il "mezzogiorno cosmico, " che insieme coprono un periodo compreso tra 500 milioni e 3 miliardi di anni dopo il big bang quando si stava verificando la maggior parte della formazione stellare, così come quando i buchi neri supermassicci erano più attivi.

"Poiché il campo visivo di Roman è così ampio, cambierà il gioco. Saremmo in grado di campionare non solo un ambiente in un campo visivo ristretto, ma invece una varietà di ambienti catturati dalla vista ad occhi aperti di Roman. Questo ci darà un'idea migliore di dove e quando stava avvenendo la formazione stellare, " ha spiegato Sangeeta Malhotra del NASA Goddard Space Flight Center a Greenbelt, Maryland. Malhotra è un co-investigatore delle squadre investigative scientifiche romane che lavorano sull'alba cosmica, e ha condotto programmi che fanno spettroscopia profonda con Hubble, per conoscere lontano, giovani galassie.

Gli astronomi sono ansiosi di misurare i tassi di formazione stellare in questa lontana epoca, che potrebbe influenzare una varietà di fattori come la quantità di elementi pesanti osservati. I tassi di formazione stellare potrebbero dipendere dal fatto che una galassia si trovi o meno all'interno di un grande ammasso. Roman sarà in grado di rilevare deboli spettri che mostreranno "impronte digitali" distinte di questi elementi, e fornire distanze precise (chiamate redshift) delle galassie.

"Gli esperti della popolazione potrebbero chiedere, che differenze ci sono tra le persone che vivono nelle grandi città, rispetto a quelli in periferia, o zone rurali? Allo stesso modo, come astronomi possiamo chiedere, le galassie che formano stelle più attive vivono in regioni molto raggruppate, o solo ai margini dei grappoli, o vivono in isolamento?" ha detto Malhotra.

Big data e apprendimento automatico

Una delle maggiori sfide della missione romana sarà imparare ad analizzare l'abbondanza di informazioni scientifiche nei dataset pubblici che produrrà. In un senso, Roman creerà nuove opportunità non solo in termini di copertura del cielo, ma anche nel data mining.

Un campo ultra profondo romano conterrebbe informazioni su milioni di galassie, troppe per essere studiate dai ricercatori una alla volta. L'apprendimento automatico, una forma di intelligenza artificiale, sarà necessario per elaborare l'enorme database. Anche se questa è una sfida, offre anche un'opportunità. "Potresti esplorare domande completamente nuove che prima non potevi affrontare, " ha dichiarato Koekemoer.

"Il potenziale di scoperta consentito dagli enormi set di dati della missione romana potrebbe portare a scoperte nella nostra comprensione dell'universo, al di là di ciò che potremmo attualmente immaginare, " Ha aggiunto Koekemoer. "Questa potrebbe essere l'eredità duratura di Roman per la comunità scientifica:non solo nel rispondere alle domande scientifiche che pensiamo di poter affrontare, ma anche nuove domande a cui dobbiamo ancora pensare".