Tre mørke felter til Euclids dybe undersøgelse

Forskere i Euclid Consortium har udvalgt tre ekstremt mørke pletter på himlen, som vil være genstand for missionens dybeste observationer, sigter på at udforske svage og sjældne objekter i universet. Placeringen af ​​Euclid Deep Fields – en på den nordlige himmel og to på den sydlige himmel – blev annonceret i sidste uge, under det årlige konsortiummøde i Helsinki, Finland.

Med planlagt lancering i 2022, ESA's Euclid-mission gør store fremskridt med både hardwaren og de videnskabelige forberedelser. En gang i rummet, Euclid vil undersøge en betydelig del af himlen og afbilde milliarder af galakser på tværs af universet for at undersøge de sidste ti milliarder år af vores kosmiske historie.

Den største brøkdel af missionens observationer vil blive afsat til Euklid-undersøgelsen, dækker omkring 15 000 kvadratgrader – mere end en tredjedel af hele himlen – med en hidtil uset kombination af skarphed og følsomhed.

Observationerne vil gøre det muligt for forskere at undersøge to kosmologiske fænomener:udviklingen af, hvordan galakser klynger sig sammen over de sidste 10 milliarder år, og forvrængning af galaksebilleder på grund af tilstedeværelsen af ​​almindeligt og mørkt stof, der griber ind mellem dem og os, en effekt kaldet gravitationslinser. Disse to fænomener adresserer missionens vigtigste videnskabelige mål:at dykke ned i historien om universets ekspansion og karakterisere accelerationen af ​​denne ekspansion i løbet af de sidste par milliarder år, noget, der menes at være forårsaget af den mystiske mørke energi.

Ud over, omkring 10 % af Euklids observationstid vil blive dedikeret til en dyb undersøgelse, gentagne gange observerer kun tre pletter af himlen:Euklids dybe felter. Den resterende tid vil blive brugt til dedikerede kalibreringer af Euklids to komplekser, meget følsomme instrumenter – det synlige billedapparat, VIS, og det nær-infrarøde spektrofotometer, NISP.

De tre felter blev nøje udvalgt til at indeholde en minimumsmængde af lyse Mælkevejsstjerner – som 'overstråler' svage kilder som fjerne galakser; af støvpartikler fra Mælkevejens interstellare medium – som skjuler lyset fra svaghed, fjerne kilder; og af det såkaldte stjernetegn lys - den diffuse glød af støv i solsystemet, hvilket påvirker observationernes følsomhed.

Med et kumulativt areal på 40 kvadratgrader, svarende til lidt over 200 gange fodaftrykket af fuldmånen på himlen, Euklids dybe felter spænder over en del af himmelsfæren, mens det er meget mindre end missionens brede undersøgelse, er stadig ret bemærkelsesværdig for en dyb undersøgelse.

"Valget af Euclid Deep Fields har været en kompleks proces på grund af mange instrumentelle og videnskabelige begrænsninger, og vi er meget tilfredse med denne løsning, der for nylig blev godkendt af Euclids videnskabelige samfund, " sagde Roberto Scaramella fra National Institute for Astrophysics i Italien, Euclid Survey Scientist og leder af Euclid Consortium Survey Group.

Udvælgelsen af ​​felterne blev præsenteret den 4. juni under det årlige møde i Euclid Consortium, som ledes af Yannick Mellier fra Institute d'Astrophysique i Paris, Frankrig, og omfatter 1500 videnskabsmænd fra hele Europa, USA og Canada.

Et af de tre felter, Euklids dybe felt nord, med et areal på 10 kvadratgrader, ligger meget tæt på den nordlige ekliptiske pol, i stjernebilledet Draco, dragen. Nærheden til den ekliptiske stang sikrer maksimal dækning hele året; den nøjagtige position blev valgt for at opnå maksimal overlapning med et af de dybe felter, der blev undersøgt af NASA's infrarøde arbejdshest, Spitzer-rumteleskopet.

De to andre felter er placeret på den sydlige himmel. Udfordringen indebar at vælge en region så tæt som muligt på den sydlige ekliptiske pol, som ville give den bedste dækning, samtidig med at man undgår lyse kilder i dette område, som er hjemsted for den store magellanske sky, en af ​​de galaktiske naboer til vores Mælkevej.

The Euclid Deep Field Fornax, også spænder over 10 kvadratgrader, er beliggende i det sydlige stjernebillede Fornax, ovnen. Det omfatter det meget mindre Chandra Deep Field South, et område på 0,11 kvadratgrader på himlen, der er blevet grundigt undersøgt i de sidste par årtier med NASAs Chandra og ESAs XMM-Newton røntgenobservatorier, samt NASA/ESA Hubble-rumteleskopet og store jordbaserede teleskoper.

Den tredje og største af felterne er Euclid Deep Field South, dækker 20 kvadratgrader i den sydlige konstellation af Horologium, pendul uret. Dette var den mest komplekse af de tre at vælge på grund af forskellige tekniske årsager, også under hensyntagen til mulighederne for fremtidige jordbaserede bredfeltteleskoper som Large Synoptic Survey Telescope. Dette felt er til dato ikke blevet dækket af nogen deep sky survey og har derfor et enormt potentiale for nye, spændende opdagelser.

"Vi er overbeviste om, at Euclid Deep Fields vil blive et foretrukket mål i de kommende år for multi-bølgelængde observationer af mange teleskoper på jorden og i rummet, og vil forhåbentlig blive lige så nyttig og berømt som andre berømte dybe felter, der er blevet undersøgt i fortiden, " tilføjer Scaramella.

I modsætning til de omkring 30 000 enkeltbesøgsobservationer, der er nødvendige for at dække Euklid-undersøgelsen, hver målretter et felt lidt fra hinanden og med kun minimal overlapning, satellitten vil aflægge flere besøg på Euclid Deep Fields. Hvert felt dybt felt observeres mindst 40 gange for at afdække kilder op til to størrelser svagere end i den brede undersøgelse.

Euklids dybe undersøgelse har en todelt funktion:mens, på den ene side, det giver et nøjagtigt datasæt til at validere den vigtigste kosmologiske analyse baseret på den brede undersøgelse, på den anden, at vende tilbage til de samme dele af himlen adskillige gange er også afgørende for stabilitetsovervågning og kalibrering under hele missionens forløb.

De tre dybe felter giver et vindue til at undersøge store mængder af galakser, ser tilbage til epoken, hvor de første stjerner og galakser dannedes, som fandt sted i det første milliard år af universets historie. På grund af kosmisk ekspansion, lyset, der udsendes af disse galakser, er rødforskudt til det infrarøde, så de opdages bedst ved infrarøde bølgelængder, som er dårligt tilgængelige fra jorden på grund af Jordens atmosfære. At opnå data, der kan sammenlignes med Euclids dybe undersøgelse fra jorden, ville kræve adskillige ti års kontinuerlig observationstid fra de bedste nær-infrarøde faciliteter.

Sammen, det relativt store kumulative areal på 40 kvadratgrader, dybden af ​​undersøgelsen og Euclids billeddannelse og spektroskopiske evner i det infrarøde maksimerer chancerne for opdagelser fra den dybe undersøgelse. Undersøgelsen vil opdage flere hundrede tusinde galakser pr. kvadratgrad; i tilfælde af de fjerneste kilder (med rødforskydning større end seks, svarende til kosmiske epoker, hvor universet var mindre end en milliard år gammelt) skøn over detektionshastigheden varierer mellem nogle få tiere til højst et par hundrede kilder pr. kvadratgrad, hvor usikkerheden er så høj på grund af dårlig statistik fra eksisterende observationsdata. Dette vil ændre sig med Euklid, som kan overskue et område af denne størrelse på meget kortere tid, end det ville være nødvendigt for Hubble eller endda det fremtidige NASA/ESA/CSA James Webb-rumteleskop.

Detektioner fra Euclids dybe undersøgelse giver interessante mål for opfølgende observationer med fremtidige faciliteter såsom James Webb Space Telescope, planlagt til lancering i 2021, European Southern Observatory's (ESO) Extremely Large Telescope (ELT), der er ved at blive bygget i Chile, og næste generations radioteleskoper som Square Kilometer Array (SKA), der vil blive installeret i Sydafrika og Australien i 2020'erne. Gentagen observation af Euclid Deep Fields vil også give mulighed for opdagelse og analyse af kilder, hvis lysstyrke og egenskaber varierer over tid.

I øjeblikket, der er igangværende programmer for at observere dele af Euclid Deep Fields med Spitzer og flere jordbaserede teleskoper:Keck, Subaru, Gran Telescopio Canarias (GTC) og ESO's Very Large Telescope (VLT). Euclids dybe undersøgelse vil muliggøre en lang række spændende og uventede undersøgelser, især når man kombinerer dataene med uafhængige undersøgelser af de samme felter, der skal udføres ved hjælp af andre state-of-the-art observatorier, der vil være tilgængelige i den nærmeste fremtid. Disse inkluderer det tysk-ledede eROSITA røntgenteleskop, forventes lanceret senere på måneden, og det USA-ledede Large Synoptic Survey Telescope, i øjeblikket under opførelse i Chile, og NASAs fremtidige nær-infrarøde rumobservatorium, SPHEREx.

"Udvælgelsen af ​​Euclid Deep Fields er et vigtigt øjeblik for missionen, forventer mange opdagelser, " kommenterede René Laureijs, Euclid Project Scientist hos ESA.

"Hvis vi ser på disse pletter på himlen med det blotte øje, de virker ret kedelige, fordi de bogstaveligt talt er tomme, blottet for nærliggende lyskilder, og vi glæder os til at se, hvad Euklid vil afsløre, når den sætter øjnene på disse mørke vinduer ind i vores kosmiske fortid."