Quando il telescopio spaziale romano Nancy Grace della NASA verrà lanciato a metà degli anni 2020, rivoluzionerà l'astronomia fornendo un campo visivo panoramico almeno 100 volte maggiore di quello di Hubble con una nitidezza dell'immagine simile, o risoluzione. Il telescopio spaziale romano rileverà il cielo fino a migliaia di volte più velocemente di quanto possa essere fatto con Hubble. Questa combinazione di ampio campo, alta risoluzione, e un approccio di indagine efficiente promette nuove comprensioni in molte aree, in particolare nel modo in cui le galassie si formano ed evolvono nel tempo cosmico. Come si sono assemblate le strutture più grandi dell'universo? Come si è formata la nostra galassia, la Via Lattea, nella sua forma attuale? Queste sono tra le domande a cui Roman aiuterà a rispondere.

Le galassie sono conglomerati di stelle, gas, polvere, e materia oscura. Il più grande può estendersi per centinaia di migliaia di anni luce. Molti si riuniscono in ammassi contenenti centinaia di galassie, mentre altri sono relativamente isolati.

Il modo in cui le galassie cambiano nel tempo dipende da molti fattori:ad esempio, la loro storia di formazione stellare, con quanta rapidità si sono formate le stelle nel tempo, e come ogni generazione di stelle ha influenzato la successiva attraverso esplosioni di supernova e venti stellari. Per tirare fuori questi dettagli, gli astronomi devono studiare un gran numero di galassie.

"Roman ci darà la capacità di vedere oggetti deboli e di vedere le galassie su lunghi intervalli di tempo cosmico. Questo ci permetterà di studiare come le galassie si sono assemblate e trasformate, " disse Swara Ravindranath, un astronomo presso lo Space Telescope Science Institute (STScI) di Baltimora, Maryland.

Mentre l'imaging a campo ampio sarà importante per gli studi sulle galassie, altrettanto importanti sono le capacità spettroscopiche di Roman. Uno spettrografo prende la luce da un oggetto e la diffonde in un arcobaleno di colori noto come spettro. Da questa gamma di colori, gli astronomi possono carpire molti dettagli altrimenti non disponibili, come la distanza o la composizione di un oggetto. La capacità di Roman di fornire uno spettro di ogni oggetto all'interno del campo visivo, combinato con l'imaging romano, consentirà agli astronomi di apprendere di più sull'universo rispetto alle sole immagini o spettroscopia.

Rivelare quando e dove sono nate le stelle

Le galassie non formano stelle a velocità costante. Accelerano e rallentano, formando più o meno stelle, sotto l'influenza di una varietà di fattori, da collisioni e fusioni a onde d'urto di supernova e venti su scala galattica alimentati da buchi neri supermassicci.

Studiando in dettaglio lo spettro di una galassia, gli astronomi possono esplorare la storia della formazione stellare. "Utilizzando Roman possiamo stimare la velocità con cui le galassie producono stelle e trovare le galassie più prolifiche che producono stelle a un ritmo enorme. Ancora più importante, possiamo scoprire non solo cosa sta succedendo in una galassia nel momento in cui la osserviamo, ma qual è stata la sua storia, " ha dichiarato Lee Armus, un astronomo all'IPAC/Caltech di Pasadena, California.

Alcune galassie precoci hanno dato alla luce stelle molto rapidamente per un breve periodo, solo per cessare di formare stelle sorprendentemente presto nella storia dell'universo, subendo una rapida transizione da vivo a "morto".

"Sappiamo che le galassie bloccano la formazione stellare, ma non sappiamo perché. Con l'ampio campo visivo di Roman, abbiamo maggiori possibilità di catturare queste galassie sul fatto, "ha detto Kate Whitaker, un astronomo presso l'Università del Massachusetts ad Amherst.

Far crescere il Web Cosmico

Anche se le galassie stesse sono cresciute nel tempo, si sono anche riuniti in gruppi per formare strutture intricate larghe miliardi di anni luce. Le galassie tendono a raccogliersi in bolle, fogli, e filamenti, creando una vasta rete cosmica. Combinando immagini ad alta risoluzione, che fornisce la posizione di una galassia nel cielo, con spettroscopia, che fornisce una distanza, gli astronomi possono mappare questa rete in tre dimensioni e conoscere la struttura su larga scala dell'universo.

L'espansione dell'universo estende la luce dalle galassie lontane a quelle più lunghe, lunghezze d'onda più rosse, un fenomeno chiamato redshift. Più una galassia è lontana, maggiore è il suo redshift. I rivelatori a infrarossi di Roman sono ideali per catturare la luce da quelle galassie. Le galassie più lontane sono anche più deboli e difficili da individuare. Combinando questo con il fatto che alcuni tipi di galassie sono rari, devi cercare un'area più ampia del cielo con un osservatorio più sensibile per trovare gli oggetti che spesso hanno le storie più interessanti da raccontare.

"Proprio adesso, con telescopi come Hubble possiamo campionare decine di galassie ad alto redshift. Con Romano, saremo in grado di assaggiarne migliaia, " ha spiegato Russell Ryan, un astronomo presso STScI.

Alla ricerca dell'ignoto

Mentre gli astronomi possono anticipare molte delle scoperte del telescopio spaziale romano, forse la cosa più eccitante è la possibilità di trovare cose che nessuno avrebbe potuto prevedere. Osservazioni tipiche ad alta risoluzione da osservatori spaziali come Hubble, mirare a oggetti specifici per un'indagine dettagliata. L'approccio di indagine di Roman getterà un'ampia rete, aprendo così un nuovo "spazio di scoperta".

"Roman eccellerà nelle incognite sconosciute. Troverà certamente raro, cose esotiche che non ci aspettiamo, " ha detto Ryan.

"Le indagini combinate di imaging e spettroscopia di Roman raccoglieranno le 'pepite d'oro' che altrimenti non avremmo mai estratto, "aggiunse Ravindranath.