Jak SPHEREx NASA mapuje całe niebo w 102 kolorach
Kosmiczny teleskop SPHEREx NASA skanuje całe niebo w 102 zakresach podczerwieni, poszukując wskazówek dotyczących Wielkiego Wybuchu, mapując międzygwiezdny lód i katalogując setki milionów galaktyk.
Teleskop, który widzi wszechświat w 102 odcieniach podczerwieni
Większość teleskopów kosmicznych przybliża określone cele – odległą galaktykę, pobliską gwiazdę, pojedynczą mgławicę. SPHEREx (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer) robi coś przeciwnego. Wystrzelony 12 marca 2025 roku na pokładzie rakiety SpaceX Falcon 9, ten obserwatorium NASA ma za zadanie sfotografować całe niebo w 102 kolorach podczerwieni w ciągu dwuletniej misji podstawowej, tworząc najbardziej szczegółową mapę spektralną kosmosu, jaką kiedykolwiek zmontowano.
Rezultatem nie jest tylko ładny obrazek. Każda z tych 102 długości fal niesie ze sobą unikalne informacje chemiczne i fizyczne, pozwalając naukowcom realizować jednocześnie trzy ambitne cele naukowe: badanie następstw Wielkiego Wybuchu, poszukiwanie elementów budulcowych życia w przestrzeni międzygwiezdnej oraz katalogowanie setek milionów galaktyk w trzech wymiarach.
Jak działa SPHEREx – Spektroskopia spotyka się z linią montażową
W sercu statku kosmicznego znajduje się skromny 20-centymetrowy teleskop aluminiowy – mniej więcej średnicy talerza obiadowego – połączony z sześcioma matrycami detektorów rtęciowo-kadmowo-tellurowych. Teleskop jest chłodzony radiacyjnie do około 80 K (−193 °C), a detektory są schładzane jeszcze bardziej do 55 K, dzięki czemu mogą odbierać słabe sygnały podczerwieni bez zakłóceń ze strony własnego ciepła statku kosmicznego.
SPHEREx wykorzystuje technikę zwaną spektrofotometrią. Zamiast robić jedną szerokopasmową migawkę, obrazuje ten sam pas nieba 102 oddzielne razy, za każdym razem przez inny filtr wąskopasmowy. Można to sobie wyobrazić jako fotografowanie każdego fragmentu wszechświata przez 102 różnie zabarwione soczewki. Filtry obejmują długości fal od 0,75 do 5,0 mikrometrów, pokrywając bliską podczerwień niewidoczną dla ludzkiego oka.
Gdy statek kosmiczny krąży od bieguna do bieguna, rejestruje około 3600 zdjęć dziennie wzdłuż okrągłego pasa. Ruch Ziemi wokół Słońca stopniowo przesuwa pole widzenia, więc po sześciu miesiącach SPHEREx skanuje całe niebo raz. W ciągu swojej dwuletniej misji wykona cztery pełne przeglądy nieba, a każde przejście poprawia czułość i precyzję danych.
Cel 1: Odciski palców Wielkiego Wybuchu
Jednym z najgłębszych pytań w kosmologii jest to, co wydarzyło się w pierwszej ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu. Wiodąca teoria – kosmiczna inflacja – zakłada, że wszechświat rozszerzył się o współczynnik biliona bilionów w mniej niż miliardowej części bilionowej części bilionowej części sekundy. Ten gwałtowny wzrost powinien pozostawić subtelne wzorce statystyczne w sposobie rozmieszczenia galaktyk w przestrzeni.
SPHEREx zmierzy położenia i odległości ponad 450 milionów galaktyk, budując mapę 3D wystarczająco dużą, aby przetestować konkurencyjne modele inflacji. Niektóre galaktyki w przeglądzie są tak odległe, że ich światło podróżowało 10 miliardów lat, aby dotrzeć do teleskopu, oferując okno w głąb przeszłości wszechświata.
Cel 2: Mapowanie międzygwiezdnego lodu
Życie na Ziemi zależy od wody, dwutlenku węgla i cząsteczek organicznych – a wszystkie one można znaleźć zamrożone na maleńkich ziarnach pyłu dryfujących w przestrzeni międzygwiezdnej. Wizja podczerwieni SPHEREx jest specjalnie dostrojona do wykrywania sygnatur chemicznych lodu wodnego, lodu dwutlenku węgla, lodu tlenku węgla i metanolu.
Wczesne wyniki już zostały dostarczone. W pierwszym roku SPHEREx zmapował lód międzygwiezdny w regionach Drogi Mlecznej o szerokości ponad 600 lat świetlnych, w tym burzliwy kompleks gwiazdotwórczy Cygnus X. Te „międzygwiezdne lodowce” znajdują się wewnątrz gigantycznych obłoków molekularnych, w których rodzą się nowe gwiazdy i układy planetarne – co oznacza, że lodowy materiał śledzony przez SPHEREx może ostatecznie stać się częścią przyszłych planet, oceanów, a być może i życia.
Cel 3: Ukryty blask galaktyk
Oprócz poszczególnych galaktyk, SPHEREx mierzy kosmiczne tło podczerwieni – zbiorowy blask wytwarzany przez wszystkie galaktyki, w tym te zbyt słabe lub zbyt odległe, aby można je było obserwować indywidualnie. Analizując fluktuacje w tym tle świetlnym, naukowcy mogą dowiedzieć się o populacjach galaktyk, które nigdy nie zostały bezpośrednio wykryte, wypełniając luki w naszym zrozumieniu historii kosmosu.
Dlaczego SPHEREx ma znaczenie
Tam, gdzie Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba przoduje w głębokich, wąskich obserwacjach poszczególnych celów, SPHEREx zamienia głębię na rozległość. Jego podejście obejmujące całe niebo oznacza, że każdy astronom – od kosmologów po planetologów – może przeszukiwać publicznie udostępnione dane w poszukiwaniu nowych odkryć. Misja ujawniła już nieoczekiwane struktury w rozmieszczeniu lodu międzygwiezdnego i oczekuje się, że będzie generować spostrzeżenia przez dziesięciolecia po zakończeniu ostatniego przeglądu.
Jak na statek kosmiczny z lustrem nie większym niż talerz obiadowy, SPHEREx odpowiada na jedne z najważniejszych pytań w nauce: Jak powstał wszechświat? Skąd pochodzi woda? I ile galaktyk naprawdę tam jest?
