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

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 ira encore plus loin dans cette cartographie. Le HLSS nous indiquera les distances d’environ deux millions de galaxies à partir du moment où l’Univers n’avait que deux à trois milliards d’années. Cela n’a jamais été fait auparavant et ce seront de nouvelles données.

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

“Novel déterminera l’histoire de l’expansion de l’univers afin de tester les explications possibles de son expansion accélérée apparente, y compris l’énergie noire et la modification de la gravité d’Einstein”, écrivent les auteurs dans leur article. “Le roman déterminera l’histoire de la croissance des plus grandes structures de l’univers afin de tester les explications possibles de son expansion accélérée apparente, y compris l’énergie noire et la modification de la gravité d’Einstein…”


Cette vidéo se dissout entre toute la collection de cubes redshift en 55 secondes. Au fur et à mesure que l’Univers s’étend, la densité de galaxies dans chaque cube diminue, passant de 528 000 dans le premier cube à 80 dans le dernier. Chaque cube mesure environ 100 millions d’années-lumière de diamètre. Galaxies assemblées le long de vastes brins de gaz séparés par d’immenses vides, une structure semblable à de la mousse qui fait écho dans l’Univers actuel 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 de 13,8 milliards d’années. Chaque cube représente un volume fixe d’espace, environ 100 millions d’années-lumière de côté. Au cours de la séquence, l’expansion de l’Univers fait rapidement baisser la densité des galaxies. Chaque cube montre un décalage vers le rouge cosmologique spécifique, de 9 à 1, avec les cubes précédents moulés dans des tons plus rouges.

Cette dernière phrase décrit où nous en sommes maintenant. 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 être un frein à 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 une nouvelle composante énergétique à l’Univers : l’énergie sombre.

Comme expliqué dans son TGR, la gravité d’Einstein est précise, jusqu’à un certain point. Il en était de même pour 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 des échelles locales, 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 entier, et notre compréhension est insuffisante.

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

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. “Ceux-ci peuvent nous dire si l’énergie noire varie avec le temps et s’il s’agit d’une composante énergétique inconnue (par exemple, une constante cosmologique), ou la conséquence de la modification de la relativité générale comme théorie de la gravité.”

Infographie cosmologique Redshift du télescope spatial romain

Ce graphique illustre le fonctionnement du redshift cosmologique et comment il offre des informations sur l’évolution de l’univers. L’univers est en expansion, et cette expansion étire la lumière voyageant à travers l’espace. Plus il s’est étiré, plus le décalage vers le rouge est important et plus la distance parcourue par la lumière est grande. En conséquence, nous avons besoin de télescopes avec des détecteurs infrarouges pour voir la lumière des premières galaxies les plus éloignées. 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 noire ou que nous découvrions que nous devons modifier la théorie de la gravité d’Einstein”, a déclaré Wang. “Novel testera les deux théories en même temps.”

Les auteurs soulignent que leur référence HLSS est un exemple de la façon dont pourrait mettre en œuvre le relevé spectroscopique à grande latitude à 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 finira ? Peut-être qu’un jour nous le ferons, et nous pourrons en discuter lors de cocktails. Et nous pouvons parler de la façon dont le télescope spatial romain Nancy Gracy nous a aidés à trouver notre réponse.

Publié à l’origine sur Universe Today.

Pour en savoir plus sur ce sujet, voir Dark Energy Vs. Gravité modifiée : la mission romaine de la NASA testera les théories concurrentes de l’accélération cosmique.

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