"Roman ha la capacità unica di fotografare aree molto ampie del cielo, consentendoci di vedere gli ambienti intorno alle galassie nell'universo primordiale", ha affermato Nicole Drakos, studiosa post-dottorato presso l'Università della California Santa Cruz, che ha guidato lo studio. Catturando l'immagine di Hubble Ultra Deep Field, gli astronomi hanno rivelato che una piccola fetta di cielo apparentemente vuota era in realtà brulicante di migliaia di galassie, ognuna contenente miliardi di stelle. Il team di Hubble ha sfruttato la potenza di un lungo tempo di esposizione, centinaia di ore tra il 2002 e il 2012, che ha permesso al telescopio di raccogliere più luce di quanta potesse in una singola, breve osservazione. L'immagine risultante ci ha aiutato a vedere più di 13 miliardi di anni indietro nel tempo.
L'Ultra Deep Field di Hubble offre un'incredibile finestra sull'universo primordiale, ma estremamente stretta, che copre meno di un decimo di milionesimo dell'intero cielo. La nuova simulazione mostra il potere di Roman di eseguire un'osservazione simile su una scala molto più ampia, rivelando milioni di galassie invece di migliaia, con un campo ultra-profondo altrettanto nitido rispetto a quello di Hubble e altrettanto indietro nel tempo. Potrebbe rivelare un'area 300 volte più grande, offrendo una visione molto più ampia degli ecosistemi cosmici.
"L'Hubble Ultra Deep Field ci ha dato un assaggio della giovinezza dell'universo", ha affermato Brant Robertson, professore di astronomia presso l'Università della California Santa Cruz e co-autore dello studio, ma "è come guardare un singolo pezzo di un puzzle di 10.000 pezzi. Roman potrebbe darci 100 pezzi di puzzle collegati, offrendo un quadro molto migliore di come fosse l'universo primordiale e aprendo nuove opportunità scientifiche".
Per generare la loro immagine simulata del campo ultra-profondo, Drakos e i co-autori hanno creato un catalogo di galassie, completo di informazioni dettagliate su ciascuna di esse. In questo modo, il team ha essenzialmente creato un universo fittizio, basando le loro galassie su simulazioni di materia oscura e modelli basati sull'osservazione. Hanno reso il catalogo delle galassie pubblicamente disponibile in modo che altri scienziati possano usarlo per prepararsi alle future osservazioni con il telescopio NASA Roman. Il team ha anche creato un sito Web interattivo in cui gli utenti possono ingrandire e scorrere l'immagine a piena risoluzione.
Gli astronomi di solito devono scegliere tra scattare un'immagine poco profonda e ad ampia area e catturare un'immagine molto sensibile e profonda poiché il tempo per un telescopio è un bene prezioso. Ma con l'enorme campo visivo di Roman e la visione a infrarossi, saranno in grado di scrutare in lungo e in largo contemporaneamente, aprendo nuove strade di esplorazione cosmica.
Drakos e co-autori mostrano che un programma Roman di campo ultra-profondo potrebbe rivelare più di un milione di galassie sparse nel corso della storia cosmica, da galassie molto giovani e piccole che stanno appena iniziando a formare stelle, all'era moderna che presenta molte galassie massicce, spesso relativamente inattive. Gli scienziati sarebbero in grado di sondare come le galassie passano dalla formazione di molte nuove stelle a questo stadio più tranquillo, quando la formazione stellare è completa.
Le possibili cause di questa metamorfosi sono attualmente poco conosciute, ma l'ampio potere visivo di Roman potrebbe offrire indizi su come l'ambiente di una galassia, come la sua posizione in relazione ad altre galassie o ammassi di galassie, influenzi la sua formazione stellare.
Le galassie in cui è terminata la formazione stellare, note come galassie quiescenti, sono sempre più difficili da trovare man mano che si guarda più indietro nel tempo, ma se questo sia dovuto ad una eventuale difficoltà ad individuarle non è possibile saperlo.
Drakos e co-autori hanno dimostrato che la capacità di Roman di fotografare grandi macchie dell'universo distante e rivelare oggetti rari e deboli potrebbe aiutare gli astronomi a trovare fino a 100.000 galassie quiescenti, probabilmente incluse alcune delle più lontane mai scoperte. Gli astronomi potrebbero anche utilizzare osservazioni Roman di campo ultra-profondo per determinare se le galassie passano dalla formazione stellare alla quiescenza in modo diverso nelle diverse ere cosmiche.
Il lavoro del team mostra che Roman potrebbe illuminare la nostra comprensione di un evento cosmico di molto tempo fa chiamato reionizzazione. Poco dopo il Big Bang, l'universo è stato riempito con un mare caldo di plasma, particelle cariche, che hanno formato un fluido denso e ionizzato. Mentre l'universo si raffreddava, le particelle erano in grado di attaccarsi insieme per formare atomi di idrogeno, il che ha provocato una nebbia di idrogeno neutro. Questo ha segnato un'era chiamata "età oscura" cosmica poiché questa nebbia impediva alle lunghezze d'onda più corte della luce, che potrebbero essere state emesse da galassie o quasar giovani e in formazione, di viaggiare molto lontano.
Ma poi gli atomi di idrogeno neutro si sono spezzati, tornando a divenire particelle cariche in un'epoca di reionizzazione. La nebbia si sollevò, trasformando l'universo dall'essere per lo più opaco al brillante paesaggio stellare che vediamo oggi. I risultati del telescopio spaziale Spitzer della NASA suggeriscono che le prime galassie hanno rilasciato quantità estremamente elevate di radiazioni ionizzanti, luce ultravioletta, raggi X e raggi gamma, che potrebbero aver interrotto la nebbia di idrogeno.
Un programma Roman di campo ultra-profondo potrebbe far progredire la nostra comprensione dell'epoca della reionizzazione rivelando ampie immagini contenenti più di 10.000 galassie di questa età cosmica relativamente breve, tra circa 600 milioni e 900 milioni di anni, e una visione dettagliata degli ambienti intorno a queste galassie. Questo potrebbe aiutare gli scienziati a capire cosa ha causato la reionizzazione, quando è successo esattamente e se la sua presenza era uniforme o irregolare.
Roman ha anche il potere di rivelare come le galassie e gli ammassi di galassie, che formano alcune delle più grandi strutture dell'universo, si sono evoluti nel tempo. Gli scienziati pensano che le galassie siano nate all'interno di vasti ciuffi sferici di materia oscura chiamati aloni. Le osservazioni indicano che la luminosità di ogni galassia, o luminosità assoluta, è legata alla massa dell'alone di materia oscura in cui risiede. Creando un'immagine di campo ultra-profondo, Roman potrebbe aiutare gli astronomi a capire meglio questa connessione. Ciò ha implicazioni non solo per la formazione delle galassie, ma anche per il modello cosmologico standard, il modello teorico di come si evolve l'universo, che include un parametro di aggregazione della materia oscura.