Dawny teleskop szpiegowski jest teraz potężnym narzędziem NASA mającym badać tajemnice ciemnej energii i ciemnej materii

Alan Dressler patrzył z podziwem na ustawiony przed nim rząd teleskopów Hubble’a. NASA potrzebowała dwóch dekad, żeby zaprojektować i zbudować własny Kosmiczny Teleskop Hubble’a, który po umieszczeniu go na orbicie w 1990 roku zrewolucjonizował naszą wiedzę o galaktykach i gwiazdach. Teraz, w 2012 roku, stojąc w czystym pomieszczeniu należącym do nowojorskiego kontraktora militarnego, Dressler miał przed sobą linię montażową klonów Hubble’a. Nie były to teleskopy astronomiczne, lecz instrumenty o równie dużych możliwościach, przeznaczone dla satelitów szpiegowskich. A jeden z nich miał zostać przekazany NASA za darmo.

Tak rozpoczyna się saga Kosmicznego Teleskopu Nancy Grace Roman, który obecnie znajduje się na Florydzie, gotowy na wystrzelenie na rakiecie SpaceX Falcon Heavy. Teleskop Nancy Grace Roman dostarczy bezprecedensowej wiedzy na temat ciemnej energii i ciemnej materii – tajemniczych składników Wszechświata, dzięki którym istniejemy my sami. Za jego pomocą odkrytych zostanie więcej obcych światów spoza naszego Układu Słonecznego. Będzie to także test kluczowej techniki, która pewnego dnia może ujawnić istnienie życia na takich światach. Jak ujęła to Julie McEnery z należącego do NASA Goddard Space Flight Center, jest to teleskop zdolny do „spektakularnych rzeczy”.

A historia tego, jak trafił na platformę startową, jest równie niesamowita, jak prowadzone za jego pomocą badania naukowe. Podstawowa część obserwatorium została zbudowana w celu śledzenia wrogów Ameryki po wydarzeniach z 11 września. Kiedy program upadł, Narodowe Biuro Wywiadu (National Reconnaissance Office; NRO) dysponowało nadwyżką teleskopów. Czy NASA byłaby nimi zainteresowana? – zapytali urzędnicy. Agencja kosmiczna z radością przyjęła tę ofertę. Historia Roman to nie tylko opowieść o ważnych badaniach i nieoczekiwanej współpracy między agencjami, ale także o niezwykłej efektywności. Start ma nastąpić przed terminem, a jego koszt będzie niższy niż przewidywany w budżecie, co jest wyczynem niezwykle rzadkim w przypadku skomplikowanych projektów astronomicznych. „Kiedy wszystko idzie zgodnie z planem i odnosimy sukcesy, takie jak w przypadku teleskopu Nancy Grace Roman, wyciągnijmy z tego wnioski” – zaapelował administrator NASA Jared Isaacman podczas kwietniowej konferencji prasowej.

Ta misja kosmiczna rozpoczęła się w wyniku szczęśliwego zrządzenia losu, a potem wiele razy uniknęła końca. To teleskop, który z wielu powodów nie powinien istnieć – a jednak stoi, gotowy, by skierować swoje oko ku niebu. I w pewnym sensie jego finalne zadanie nie tak bardzo odbiega od pierwotnego celu. Przecież nadal będzie odkrywał tajemnice – ale tym razem kosmosu.

Pod koniec poprzedniego tysiąclecia astronomowie dokonali odkrycia, za które później dostali Nagrodę Nobla. Odkrycie to postawiło współczesnych kosmologów na baczność. Analizując wybuchające gwiazdy, zwane supernowymi typu Ia, odkryli dziwną prawidłowość – najodleglejsze supernowe świeciły słabiej, niż oczekiwano. Naukowcy od dziesięcioleci wiedzieli, że Wszechświat się rozszerza, ale nowe odkrycie świadczyło o czymś jeszcze bardziej niezwykłym: ekspansja Wszechświata przyspieszała.

Aby wyjaśnić to przyspieszenie, astronomowie wysunęli hipotezę o ciemnej energii – niewidzialnej sile lub ciśnieniu, która coraz szybciej oddala galaktyki od siebie i stanowi ponad dwie trzecie masy i energii Wszechświata. Albert Einstein przewidział istnienie takiego zjawiska już w 1917 roku – wprowadził wówczas „stałą kosmologiczną”, aby wyjaśnić, dlaczego Wszechświat jest statyczny. Odrzucił jednak tę koncepcję po odkryciu w latach 20. XX wieku, że Wszechświat się rozszerza. Około 100 lat później jego przewidywania powracają jako możliwa przyczyna przyspieszającej ekspansji Wszechświata.

Rozwiązanie zagadki ciemnej energii wymagać będzie dokładniejszych obserwacji supernowych w całym Wszechświecie, a także pomiarów kształtów i położenia jak największej liczby galaktyk. Galaktyki te naukowcy wykorzystają do badania struktury kosmicznej, której kształt został zdeterminowany przez drugi składnik ciemnego sektora Wszechświata – ciemną materię. Pod koniec pierwszej dekady XXI wieku poznanie natury tegoż ciemnego Wszechświata stało się jednym z najwyższych priorytetów w astrofizyce, a w 2010 roku National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine w swym raporcie „Decadal Survey” – który co 10 lat wyznacza priorytety naukowe – poleciła NASA zbudowanie teleskopu do jej zbadania.

Urządzenie to nazwano Wide-Field Infrared Survey Telescope (Podczerwony Teleskop Badawczy o Dużym Polu Widzenia; WFIRST). Dzięki zwierciadłu głównemu o średnicy nieco ponad metra – czyli o połowę mniejszej niż w teleskopie Hubble’a – WFIRST miał prowadzić szeroko zakrojone przeglądy nieba w celu sporządzenia mapy rozszerzania się Wszechświata oraz badania odległych galaktyk. Od samego początku projekt napotykał jednak znaczny sprzeciw ze strony astronomów, którzy chcieli, aby NASA rozszerzyła zakres zastosowań teleskopu, w szczególności o badania planet pozasłonecznych, które stawały się kolejnym ważnym kierunkiem w astronomii. „Mieliśmy trudności z uzyskaniem poparcia w środowisku – mówi Dressler, obecnie emerytowany astronom w Carnegie Institution for Science i jeden z pierwszych liderów projektu WFIRST. – Chciano zrealizować znacznie ambitniejszy plan”.

Podczas zjazdu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego (American Astronomical Society; AAS) w 2011 roku Dressler i jego współpracownicy próbowali przekonać innych do swojego pomysłu. „Na tym zjeździe pojawiły się ogromne kontrowersje – wspomina. – Wiele osób uważało, że nie powinniśmy marnować na to pieniędzy”. Znaczną część ówczesnego budżetu NASA przeznaczonego na budowę teleskopów kierowano na Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (James Webb Space Telescope; JWST), którego przewidywany koszt wynosił już wtedy 8,7 mld dolarów, a w momencie jego wystrzelenia w 2021 roku wzrósł do około 10 mld dolarów. Projekt WFIRST, zanim jeszcze się rozpoczął, wydawał się skazany na porażkę.

Było więc wielkim zaskoczeniem, gdy David Spergel, astrofizyk teoretyczny pracujący wówczas na Princeton University, który pełnił wówczas funkcję doradcy naukowego misji, podczas zjazdu wziął po cichu Dresslera na stronę i powiedział, że WFIRST może mieć niezwykłego wybawcę – NRO. Agencja wywiadowcza dysponowała niewykorzystywanymi teleskopami, które nie były jej już potrzebne, i pytała, czy NASA jest nimi zainteresowana. Był to niewiarygodny łut szczęścia. Wydawało się to zbyt piękne, aby mogło być prawdziwe.

W latach 90. nro uruchomiło program satelitów szpiegowskich o nazwie Future Imagery Architecture. Po atakach z 11 września 2001 roku agencja zintensyfikowała prace nad tym programem, dążąc do stworzenia nowej generacji zaawansowanych technicznie teleskopów służących do gromadzenia danych satelitarnych o przeciwnikach Ameryki. Dzięki zwierciadłom wielkości lustra w teleskopie Hubble’a teleskopy te byłyby w stanie dostrzec na Ziemi obiekty mniejsze niż kubek do kawy – co ujawnił w tweecie z 2019 roku prezydent Donald Trump, pokazując zdjęcie irańskiej wyrzutni rakietowej wykonane przez podobnego satelitę.

Jednak projekt, zlecony firmie Boeing, miał opóźnienia i przekroczył budżet. Dochodzenie przeprowadzone przez „The New York Times” wykazało, że całkowity koszt projektu wyniósł o 13 mld dolarów więcej, niż pierwotnie zakładano. Podobno urzędnicy podjęli decyzję o zarzuceniu przedsięwzięcia w 2005 roku – jednak część sprzętu została już zmontowana. Sprzęt ten znajdował się w Rochester w stanie Nowy Jork, w czystym pomieszczeniu firmy zbrojeniowej Exelis, przejętej później przez firmę L3Harris.

Michael Moore, ówczesny zastępca dyrektora NASA ds. astrofizyki, pełnił w latach 90. funkcję łącznika z Siłami Powietrznymi Stanów Zjednoczonych. Dzięki swoim kontaktom dowiedział się, że może pojawić się nadwyżka sprzętu. Postanowił zaryzykować. „Kiedy stało się jasne, że będą mieli za dużo urządzeń, udałem się do zarządzającego programem i spytałem, czy będzie on dostępny – opowiada Moore. – Wówczas odpowiedź brzmiała: nie”.

Jednak przed zjazdem AAS w 2011 roku decyzję zmieniono. „Zadzwonili, by mi powiedzieć, że ponownie rozpatrzono prośbę” – kończy opowieść Moore. NASA, jeśli tylko zechce, może przejąć część teleskopów. Według rzecznika NRO, agencja wywiadowcza „sporządziła inwentarz teleskopów, które nie były już potrzebne” oraz „stwierdziła, że teleskopy te spełniają lub przewyższają specyfikacje wymagane przez NASA” dla misji WFIRST. W związku z tym agencja postanowiła zaoferować lustra NASA – coś, co dla NRO było odpadkiem, dla NASA okazało się skarbem. „NRO jest dumne, że technika opracowana w ramach jej programów przyczyni się do przełomowych odkryć”.

Latem 2011 roku astronomowie spotkali się na Princeton University, aby omówić możliwości wykorzystania tych teleskopów. Szybko stało się jasne, że jeden z nich będzie idealny dla misji WFIRST. Zmodyfikowany teleskop szpiegowski nie tylko zapewniłby misji WFIRST lustro dwukrotnie większe od przewidzianego w pierwotnym planie, ale umożliwiłby również dodanie instrumentu zwanego koronografem, który pozwoliłby na blokowanie światła odległych gwiazd w celu uzyskania obrazów pobliskich planet. Uspokoiłoby to niezadowolonych astronomów zajmujących się badaniem planet pozasłonecznych.

W następnym roku przedstawiciele agencji złożyli NASA formalną ofertę. Przedstawiciel NRO udał się do siedziby NASA w Waszyngtonie i spotkał się w zabezpieczonym przed podsłuchem pomieszczeniu z Johnem Grunsfeldem, ówczesnym najwyższym urzędnikiem ds. nauki w agencji. Poinformowano go, że tajna agencja dysponuje dwoma częściowo zdemontowanymi teleskopami klasy Hubble’a, każdy ze zwierciadłem o średnicy 2,4 m, oraz trzecim zwierciadłem głównym wraz z kilkoma zapasowymi komponentami.

Wkrótce Dressler, Grunsfeld oraz inni naukowcy i inżynierowie udali się do Rochester, aby osobiście obejrzeć teleskopy. Weszli do czystego pomieszczenia i zobaczyli rząd nieskazitelnych zwierciadeł – wszystkie niemal takie same, jak lustro teleskopu Hubble’a. „To było piękne” – wspomina Grunsfeld. Ich ustalenia pomogły przekonać ówczesnego administratora NASA, Charliego Boldena, do przyjęcia oferty.

Przekształcenie teleskopów szpiegowskich w teleskopy kosmiczne wymagało jednak jeszcze sporego nakładu pracy. NASA miała otrzymać lustro o średnicy 2,4 m, jego podpory oraz mniejsze zwierciadło wtórne, ale musiała zdemontować zastrzeżone elementy zestawu i zbudować instrumenty oraz kamery. Oczywiście konieczne było również wystrzelenie całości w kosmos. Ze względu na te dodatkowe koszty NASA odmówiła później przejęcia pozostałych teleskopów, z których jeden miał niewielką wadę lustra.

Los pozostałych teleskopów nie jest znany, jak również to, czy nadal znajdują się one w Rochester. NASA, NRO oraz firma L3Harris, która przejęła Exelis w 2015 roku, nie odpowiedziały na pytania dotyczące lokalizacji sprzętu.

Przekształcenie teleskopu z satelity szpiegowskiego w obserwatorium kosmiczne zajęło w sumie ponad dekadę, a ostateczny koszt wyniósł około 4,3 mld dolarów. „Chyba wszystko zostało rozmontowane i zbadane – mówi Dominic Benford, naukowiec odpowiedzialny za program teleskopu Roman w dyrekcji NASA. – Przekształciliśmy go w coś, czym chcieliśmy, by był.”

W 2016 roku NASA oficjalnie rozpoczęła prace rozwojowe misji WFIRST, a firma L3Harris nadal przechowywała lustro w Rochester; otrzymała także kontrakt na wykonanie dalszych niezbędnych prac.

Nawet wtedy WFIRST nie był jeszcze całkowicie bezpieczny. „Mieliśmy wiele sytuacji, w których projekt był o krok od upadku – opowiada Spergel. – Pięć razy został wykreślony z prezydenckiego budżetu – dwukrotnie za kadencji Obamy i trzykrotnie podczas pierwszej kadencji Trumpa”. Za każdym razem Kongres decydował się uratować misję, a astronomowie, w tym Spergel, udawali się do Waszyngtonu, by wychwalać zalety teleskopu senatorom, takim jak Chuck Schumer z Nowego Jorku. „Nie sądzę, by to się udało bez wsparcia Schumera” – twierdzi Spergel.

Aby raz na zawsze ugruntować pozycję misji, Thomas Zurbuchen, ówczesny szef projektów naukowych NASA, postanowił ją nazwać. „Nadanie jej nazwy praktycznie uniemożliwia anulowanie – mówi. – Wyrażasz się w ten sposób jasno: »Bardzo nam na tym zależy«”. Astronomka Nancy Grace Roman zmarła w 2018 roku w wieku 93 lat. W latach 60. została pierwszą szefową działu astronomii w NASA, w czasach, gdy kobiety były rzadkością w nauce. Odegrała kluczową rolę w pozyskiwaniu poparcia dla teleskopów kosmicznych, zwłaszcza teleskopu Hubble’a, co przyniosło jej przydomek „Matka Hubble’a”.

Dla Zurbuchena Roman była idealną kandydatką na patronkę. Omówił tę kwestię z ówczesnym administratorem NASA, Jimem Bridenstine’em, który uczestniczył w pogrzebie Roman. „Powiedziałem: »Właściwą nazwą dla tego teleskopu jest Nancy Grace Roman« – opowiada Zurbuchen. – Bridenstine spojrzał na mnie i powiedział: »Zrób to«”, dzięki czemu instrument ten stał się pierwszym teleskopem kosmicznym noszącym imię kobiety.

Od tamtej pory pojawiło się znacznie więcej argumentów przemawiających za wysłaniem teleskopu do badania ciemnej energii. Najnowsze odkrycia sugerują, że ciemna energia może zachowywać się zupełnie inaczej, niż sądziliśmy. Wyniki opublikowane w 2024 roku przez astronomów pracujących przy projekcie Dark Energy Spectroscopic Instrument (Instrument Spektroskopowy Ciemnej Energii; DESI) w Arizonie wskazują, że ciemna energia może słabnąć. Jeśli to prawda, Wszechświat nie zawsze będzie rozszerzać się coraz szybciej, aby w końcu rozpaść się na kawałki. Zamiast tego pewnego dnia może zacząć się kurczyć, kończąc swój żywot Wielkim Skurczem. Wyniki te pojawiają się w „spektakularnym momencie” dla misji Roman – mówi McEnery. „Wygląda na to, że możemy siedzieć w kopalni złota”.

Po wystrzeleniu teleskop Roman dotrze do grawitacyjnie stabilnej pozycji oddalonej o półtora miliona kilometrów od Ziemi, zwanej drugim punktem Lagrange’a układu Słońce–Ziemia, gdzie znajduje się również Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Teleskop Roman ma pole widzenia co najmniej 100 razy większe niż teleskop Hubble’a oraz znacznie bardziej zaawansowaną kamerę o rozdzielczości 300 megapikseli. Urządzenie to, zwane Wide-Field Instrument (Instrument o Szerokim Polu Widzenia; WFI), rejestruje obrazy tak duże, że do wyświetlenia każdego z nich potrzebna byłaby cała ściana telewizorów 4K.

W ciągu pięciu lat obserwacji teleskop Roman przebada około 12% i wykona zdjęcia miliardów galaktyk. Prowadzone będą poszukiwania wszelkich zniekształceń światła tych galaktyk, wywołanych przez skupiska ciemnej materii zakrzywiające otaczającą je czasoprzestrzeń. Poprzez tworzenie map tego zjawiska, zwanego słabym soczewkowaniem grawitacyjnym, poznamy rozkład materii we Wszechświecie, a tym samym jej ewolucję w czasie. W ramach innego projektu obserwacyjnego teleskop Roman będzie poszukiwał tysięcy supernowych typu Ia, wybuchających ponad 10 mld lat temu w 13,8-miliardowej historii Wszechświata. Powinien wykryć więcej takich eksplozji z odległej przeszłości niż jakikolwiek inny teleskop, co ujawni, jak zmieniało się tempo ekspansji Wszechświata w czasie.

Będą również prowadzone pomiary barionowych oscylacji akustycznych, które są rodzajem fal dźwiękowych przemierzających Wszechświat w ciągu pierwszych 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu, gdy był on wypełniony plazmą. Fale te odkryto je w 2005 roku. Uległy „zamrożeniu” w czasie w rozszerzającym się Wszechświecie, co zgodnie z przewidywaniami powinno spowodować, że oczekiwana (najczęściej spotykana) odległość między galaktykami wynosi dzisiaj około 500 mln lat świetlnych. Każde odchylenie od tej odległości „wskazuje, jak rozszerzanie Wszechświata ewoluuje w czasie – mówi astrofizyczka Neta Bahcall z Princeton. – To pozwala określić właściwości ciemnej energii i ciemnej materii”.

Dzięki teleskopowi Roman zawężony zostanie zakres możliwości dotyczących składu ciemnej materii – twierdzi Anna Nierenberg, astrofizyczka z University of California w Merced. Światło wyemitowane przez niektóre odległe galaktyki zostanie powiększone przez bliższe, masywne galaktyki, a obraz będzie wydłużony oraz zwielokrotniony w sposób zależny od charakteru ciemnej materii obecnej w halo wokół tych galaktyk. Teleskop Roman powinien wykryć setki takich soczewek grawitacyjnych, co pozwoli wykluczyć niektóre modele ciemnej materii. „To absolutnie niesamowite” – cieszy się Nierenberg.

Teleskop Roman przyniesie również przełom w badaniach nad egzoplanetami. W ramach jednego z programów obserwacyjnych sonda zajrzy do galaktycznego zgrubienia w centrum Drogi Mlecznej, w którym znajduje się bardzo gęsta populacja gwiazd. Będzie tam poszukiwać grawitacyjnego oddziaływania planet zakrzywiających światło gwiazd leżących za nimi za pomocą zjawiska zwanego mikrosoczewkowaniem. „Dzięki technice mikrosoczewkowania być może odkryjemy nawet kilka tysięcy planet, zarówno tych krążących wokół gwiazd, jak i swobodnie poruszających się w przestrzeni” – mówi Scott Gaudi, naukowiec badający egzoplanety z Ohio State University. Powinniśmy być w stanie wykrywać globy o masie tak małej, jak ziemski Księżyc.

Prowadzone będą również obserwacje setek milionów gwiazd w zgrubieniu galaktycznym w celu poszukiwania tzw. tranzytów, czyli spadków jasności spowodowanych przez orbitujące planety. Metoda ta pozwoliła odkryć większość z 6000 planet znanych obecnie. Teleskop Roman powinien jednak „odkryć około 100 tys. tranzytujących planet” – twierdzi Gaudi – o rozmiarach od Jowisza do dwukrotności Ziemi. Będzie to wielokrotnie więcej tych obiektów, niż kiedykolwiek zaobserwowano w historii ludzkości, i dostarczy nam ogromną próbkę różnych populacji planet w całej Galaktyce.

Jednak jednym z największych osiągnięć misji Roman może okazać się koronograf – to ten instrument, o który naukowcy zajmujący się egzoplanetami tak zabiegali. Pod względem technicznym jest to demonstracja techniki – w zasadzie eksperyment mający na celu sprawdzenie, czy takie urządzenie działa. Konstrukcja koronografu to układ małych dysków, czyli masek, które będą tłumić światło odległych gwiazd, tak aby widoczna była niezwykle słaba poświata orbitujących wokół nich planet. Celem jest zmniejszenie kontrastu każdej gwiazdy do jednej części na miliard – innymi słowy, z każdego miliarda fotonów pochodzących z gwiazdy tylko jeden przedostanie się do teleskopu Roman. Taka czułość pozwoli na uzyskanie obrazów planet o wielkości Jowisza.

Jeśli to się uda, być może po raz pierwszy zarejestrujemy światło odbite od egzoplanet krążących wokół innych gwiazd. Wszystkie planety, które mogliśmy dotychczas bezpośrednio sfotografować, były tak gorące, że widzieliśmy ich własne promieniowanie – mówi Mary Anne Limbach, astronomka z University of Michigan. Dzięki teleskopowi Roman moglibyśmy jednak dostrzec chłodniejsze planety, które jedynie odbijają światło swojej gwiazdy, tak jak robią to planety naszego Układu Słonecznego. Być może udałoby się nawet zaobserwować układy pierścieni wokół planet. „Światło z pierścieni będzie się mieszać” z punktowym źródłem światła pochodzącym od planety – mówi Limbach – ale z czasem da się je rozdzielić.

Koronograf na teleskopie Roman jest prekursorem urządzenia, które NASA zamierza umieścić na pokładzie swojego Habitable Worlds Observatory (Obserwatorium Światów Mogących Podtrzymywać Życie). Wystrzelenie tego teleskopu zaplanowano na lata 40., a jego celem będzie sfotografowanie 25 globów ziemiopodobnych krążących wokół pobliskich gwiazd podobnych do Słońca, a także poszukiwanie oznak życia w ich atmosferach. Aby to osiągnąć, instrument będzie musiał uzyskać kontrast rzędu jednej części na 10 mld, mówi Beth Biller, badaczka egzoplanet z University of Edinburgh i członkini zespołu teleskopu Roman zajmującego się koronografem. Kontrast ten powinien wystarczyć do dostrzeżenia krążącej wokół gwiazdy planety w postaci bladej kropki.

Wszystko to oznacza, że jeśli dojdzie do pierwszego wykrycia życia poza naszym Układem Słonecznym, to stanie się to dzięki sekwencji zdarzeń przypominającej mechanizmy Rube’a Goldberga [Reuben Goldberg (1883–1970) – amerykański rysownik, rzeźbiarz i inżynier. Tworzył żartobliwe obrazki przedstawiające złożone urządzenia wykonujące proste czynności – przyp. tłum.]: porzuconego projektu satelity szpiegowskiego, nieoczekiwanego telefonu i oferty, która ożywiła walczący o przetrwanie teleskop kosmiczny. Dla amerykańskich służb wywiadowczych był to koniec przedsięwzięcia wartego wiele miliardów dolarów, ale dla astronomów – początek czegoś nowego. „Wiem tylko tyle – mówi Marc Postman, szef Science Mission Office (Biuro Misji Naukowych) w Space Telescope Science Institute – że mamy dobre lustro”.