Lorsque le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA sera lancé au milieu des années 2020, il révolutionnera l'astronomie en offrant un champ de vision panoramique au moins 100 fois supérieur à celui de Hubble à une netteté d'image similaire, ou résolution. Le télescope spatial romain étudiera le ciel jusqu'à des milliers de fois plus rapidement qu'avec Hubble. Cette combinaison de champ large, haute résolution, et une approche d'enquête efficace promet de nouvelles compréhensions dans de nombreux domaines, en particulier dans la façon dont les galaxies se forment et évoluent au cours du temps cosmique. Comment les plus grandes structures de l'univers se sont-elles assemblées ? Comment notre galaxie de la Voie lactée est-elle devenue dans sa forme actuelle ? Ce sont parmi les questions auxquelles Roman aidera à répondre.

Les galaxies sont des conglomérats d'étoiles, gaz, poussière, et la matière noire. Le plus grand peut s'étendre sur des centaines de milliers d'années-lumière. Beaucoup se rassemblent en amas contenant des centaines de galaxies, tandis que d'autres sont relativement isolés.

L'évolution des galaxies au fil du temps dépend de nombreux facteurs :par exemple, leur histoire de formation d'étoiles, à quelle vitesse ils ont formé des étoiles au fil du temps, et comment chaque génération d'étoiles a influencé la suivante à travers des explosions de supernova et des vents stellaires. Pour démêler ces détails, les astronomes doivent étudier un grand nombre de galaxies.

"Roman nous donnera la capacité de voir des objets faibles et de voir des galaxies sur de longs intervalles de temps cosmique. Cela nous permettra d'étudier comment les galaxies se sont assemblées et transformées, " dit Swara Ravindranath, astronome au Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland.

Alors que l'imagerie à grand champ sera importante pour les études des galaxies, les capacités spectroscopiques de Roman sont tout aussi importantes. Un spectrographe prend la lumière d'un objet et la diffuse en un arc-en-ciel de couleurs appelé spectre. De cette gamme de couleurs, les astronomes peuvent glaner de nombreux détails autrement indisponibles, comme la distance ou la composition d'un objet. La capacité de Roman à fournir un spectre de chaque objet dans le champ de vision, combiné avec l'imagerie romaine, permettra aux astronomes d'en apprendre davantage sur l'univers que par l'imagerie ou la spectroscopie seules.

Révéler quand et où les étoiles sont nées

Les galaxies ne forment pas d'étoiles à un rythme constant. Ils accélèrent et ralentissent - formant plus ou moins d'étoiles - sous l'influence de divers facteurs, des collisions et des fusions aux ondes de choc de supernova et aux vents à l'échelle de la galaxie alimentés par des trous noirs supermassifs.

En étudiant en détail le spectre d'une galaxie, les astronomes peuvent explorer l'histoire de la formation des étoiles. "En utilisant Roman, nous pouvons estimer à quelle vitesse les galaxies fabriquent des étoiles et trouver les galaxies les plus prolifiques qui produisent des étoiles à un rythme énorme. Plus important encore, nous pouvons découvrir non seulement ce qui se passe dans une galaxie au moment où nous l'observons, mais quelle a été son histoire, " a déclaré Lee Armus, un astronome à IPAC/Caltech à Pasadena, Californie.

Certaines galaxies précoces ont donné naissance à des étoiles très rapidement pendant une courte période, pour cesser de former des étoiles étonnamment tôt dans l'histoire de l'univers, subissant une transition rapide d'animé à "mort".

"Nous savons que les galaxies bloquent la formation d'étoiles, mais on ne sait pas pourquoi. Avec le large champ de vision de Roman, nous avons de meilleures chances d'attraper ces galaxies en flagrant délit, " a déclaré Kate Whitaker, astronome à l'Université du Massachusetts à Amherst.

Développer le Web cosmique

Même si les galaxies elles-mêmes ont grandi au fil du temps, ils se sont également rassemblés en groupes pour former des structures complexes de plusieurs milliards d'années-lumière de diamètre. Les galaxies ont tendance à s'accumuler en bulles, des draps, et filaments, créer une vaste toile cosmique. En combinant l'imagerie haute résolution, qui donne la position d'une galaxie dans le ciel, avec spectroscopie, qui fournit une distance, les astronomes peuvent cartographier cette toile en trois dimensions et en apprendre davantage sur la structure à grande échelle de l'univers.

L'expansion de l'univers étend la lumière des galaxies lointaines à plus longtemps, longueurs d'onde plus rouges - un phénomène appelé redshift. Plus une galaxie est éloignée, plus son redshift est grand. Les détecteurs infrarouges de Roman sont idéaux pour capturer la lumière de ces galaxies. Les galaxies plus éloignées sont également plus faibles et plus difficiles à repérer. En combinant cela avec le fait que certains types de galaxies sont rares, vous devez rechercher une plus grande zone du ciel avec un observatoire plus sensible pour trouver les objets qui ont souvent les histoires les plus intéressantes à raconter.

"À l'heure actuelle, avec des télescopes comme Hubble, nous pouvons échantillonner des dizaines de galaxies à fort décalage vers le rouge. Avec Romain, nous pourrons en échantillonner des milliers, " a expliqué Russell Ryan, un astronome au STScI.

À la recherche de l'inconnu

Alors que les astronomes peuvent anticiper de nombreuses découvertes du télescope spatial romain, le plus excitant est peut-être la possibilité de trouver des choses que personne n'aurait pu prédire. Observations typiques à haute résolution d'observatoires spatiaux comme Hubble, cibler des objets spécifiques pour une enquête détaillée. L'approche d'enquête de Roman va jeter un large filet, ouvrant ainsi un nouvel « espace de découverte ».

"Roman excellera dans les inconnues inconnues. Il trouvera certainement rare, des choses exotiques auxquelles on ne s'attend pas, " dit Ryan.

"Les relevés combinés d'imagerie et de spectroscopie de Roman permettront de rassembler les" pépites d'or " que nous n'aurions jamais extraites autrement, " ajouta Ravindranath.