Космічний телескоп Nancy Grace Roman (NGRST) прямує до точки Лагранжа Сонце–Земля L2, де має розпочати щонайменше п’ятирічну місію. Один із його головних інструментів для вивчення темної енергії, росту космічних структур і перевірки загальної теорії відносності — гравітаційне лінзування. І тут на допомогу новому апарату прийде старший «побратим» — телескоп Габбл, про що розповідає Universe Today.
Сильні гравітаційні лінзи як ваги для темної матерії
У центрі однієї з недавніх світлин Габбла видно вражаючу спіральну галактику. Але головний об’єкт — у нижньому правому куті: червонувата передня галактика, яка діє як гравітаційна лінза. Вона підсилює та спотворює світло набагато віддаленішої галактики позаду, створюючи характерні дуги — «підпис» гравітаційного лінзування.
Розрізняють два основні типи гравітаційного лінзування — сильне та слабке. При сильному лінзуванні масивний об’єкт на передньому плані, наприклад скупчення галактик, майже точно вирівнюється з далеким джерелом світла. Це породжує збільшені й спотворені зображення фонової галактики: дуги, кільця Ейнштейна, іноді кілька копій одного й того ж об’єкта.
Такі спотворення дозволяють астрономам вимірювати загальну масу передньої галактики. Видимої речовини для цього недостатньо, тож, порівнюючи ступінь збільшення та спотворення, дослідники можуть оцінити, скільки темної матерії має бути присутньо. Це, у свою чергу, допомагає краще зрозуміти темну енергію, еволюцію великих структур і перевірити, наскільки стабільно працює загальна відносність у космічних масштабах.
На згаданому знімку червона галактика на передньому плані створює дві дуги світла — це множинні, спотворені зображення далекої галактики: велику дугу зверху та меншу знизу. Вимірюючи загальну масу лінзуючої галактики та ступінь збільшення фонової, астрономи можуть оцінити частку темної матерії в цій системі.
Чим відрізняються Габбл і Roman
Габбл і Roman працюють у різних діапазонах і мають різну «спеціалізацію». Roman переважно спостерігатиме в інфрачервоному діапазоні з невеликою часткою видимого світла. Габбл, навпаки, чутливий головно до видимого та ультрафіолетового випромінювання, маючи лише трохи інфрачервоного.
Ще одна ключова відмінність — поле зору. Габбл «дивиться» дуже вузько й детально, вивчаючи окремі об’єкти. Roman — це ширококутний оглядовий телескоп, здатний охоплювати величезні ділянки неба за один знімок. Порівняння полів зору двох апаратів показує разючу різницю: кадр Roman у сотні разів більший за габблівський.
Через це Габбл може ретельно досліджувати окремі сильні гравітаційні лінзи, тоді як Roman у режимі широкого огляду не «заглиблюється» в кожну з них поодинці. Саме тут і виникає можливість співпраці між двома телескопами.
Проблема точкової розподільної функції
Ключ до точних вимірювань лінзування — розуміння так званої точкової розподільної функції (PSF, point-spread function). Жоден телескоп не показує точкове джерело як ідеальну точку: світло розмазується по детектору, утворюючи характерний візерунок з абераціями, дифракційними «шипами» та іншими спотвореннями.
Оскільки Габбл спостерігає кожну гравітаційну лінзу окремо на одному детекторі, його PSF відносно легко змоделювати й врахувати. Це дозволяє будувати дуже детальні моделі конкретних лінз і точно відокремлювати ефект гравітації від оптичних спотворень інструмента.
Roman зіткнеться зі складнішим завданням. Більшість гравітаційних лінз він виявлятиме в межах свого High Latitude Wide Area Survey (HLWAS) — широкого огляду, що покриє близько 5000 квадратних градусів неба, тобто приблизно 12% усієї небесної сфери. Поле зору Roman приблизно у 200 разів більше за поле зору Габбла й розподілене по кількох детекторах, кожен з яких має своє положення у фокальній площині та власні особливості PSF.
У статті 2025 року дослідники оцінили, скільки сильних гравітаційних лінз зможе знайти Roman. Для «еталонного» випадку з одиничною 146-секундною експозицією вони прогнозують близько 160 000 виявлених сильних лінз у межах HLWAS. З них приблизно 500 матимуть достатнє відношення сигнал/шум, щоб детально вивчати їхню внутрішню структуру.
Очікується, що кожна експозиція огляду приноситиме в середньому близько 15 сильних лінз. Але саме це ускладнює роботу з PSF: зображення розкидані по різних детекторах із різними характеристиками. Для Roman це серйозний виклик, адже від точності знання PSF залежить, наскільки добре вдасться виміряти розподіл темної матерії.
Як Габбл готує ґрунт для Roman
Щоб полегшити інтерпретацію майбутніх даних Roman, астрономи вже зараз будують комп’ютерні моделі, спираючись на спостереження Габбла. Детально вивчені PSF Габбла використовують як еталон, щоб краще розібратися з більш складними PSF Roman у ширококутних знімках.
Габбл допоможе й у подальших спостереженнях. Коли Roman виявить найцікавіші гравітаційні лінзи, саме Габбл зможе виконати додаткову високодетальну зйомку цих об’єктів. Так поєднання широкого огляду Roman і «прицільної» потужності Габбла дасть змогу максимально використати потенціал нової місії.
Це показує, що попри появу новіших телескопів, таких як JWST і Roman, Габбл залишається важливою робочою конячкою астрономії. Він не просто «передає естафету» новому поколінню, а й активно підтримує його.
Майбутнє Габбла і спільна робота телескопів
Місія Roman лише набирає обертів, тоді як Габбл поступово наближається до завершення роботи. Телескоп втрачає стабілізувальні гіроскопи, а нових ремонтних польотів не планують. Імовірно, Габбл припинить роботу, коли вийде з ладу останній гіроскоп, хоча точний час цього передбачити неможливо.
До того моменту Габбл продовжуватиме виконувати важливі завдання — зокрема, допомагати Roman і іншим сучасним обсерваторіям точніше вимірювати темну матерію та розуміти будову Всесвіту.