Kortlægning af det tidlige univers med NASAs Webb-teleskop

Astronomer og ingeniører har designet teleskoper, delvis, at være "tidsrejsende". Jo længere væk en genstand er, jo længere tid tager det at nå Jorden. At kigge tilbage i tiden er en af ​​grundene til, at NASAs kommende James Webb Space Telescope er specialiseret i at indsamle infrarødt lys:Disse længere bølgelængder, som oprindeligt blev udsendt af stjerner og galakser som ultraviolet lys for mere end 13 milliarder år siden, har strakt sig, eller rødforskudt, ind i infrarødt lys, mens de rejste mod os gennem det ekspanderende univers.

Selvom mange andre observatorier, inklusive NASAs Hubble-rumteleskop, har tidligere skabt "dybe felter" ved at stirre på små områder af himlen i betydelige bidder af tid, Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) undersøgelse, ledet af Steven L. Finkelstein fra University of Texas i Austin, vil være den første for Webb. Han og hans forskerhold vil bruge lidt over 60 timer på at pege teleskopet mod et stykke af himlen kendt som Extended Groth Strip, som blev observeret som en del af Hubbles Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey eller CANDELS.

"Med Webb, vi ønsker at lave den første rekognoscering for galakser endnu tættere på big bang, " sagde Finkelstein. "Det er absolut ikke muligt at lave denne forskning med noget andet teleskop. Webb er i stand til at gøre bemærkelsesværdige ting ved bølgelængder, som har været svære at observere tidligere, på jorden eller i rummet."

Mark Dickinson fra National Science Foundations National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory i Arizona, og en af ​​CEERS-undersøgelsens medforskere, giver et nik til Hubble, mens han også ser frem til Webbs observationer. "Undersøgelser som Hubble Deep Field har givet os mulighed for at kortlægge historien om kosmisk stjernedannelse i galakser inden for en halv milliard år efter big bang hele vejen til nutiden i overraskende detaljer, " sagde han. "Med CEERS, Webb vil se endnu længere for at tilføje nye data til disse undersøgelser."

At levere det usete

Hvordan var det tidlige univers? Der er helt sikkert mange datapunkter, men ikke nok til at skabe en udtømmende optælling af dens forhold. Plus, forskernes viden og antagelser opdateres ofte - hver gang en ny dyb eksponering frigives. "Hver gang vi ser længere, vi finder galakser tidligere og tidligere, end vi troede muligt. Forholdene i det meget tidlige univers skulle være rigtige for at galakser kunne dannes - og de dannede og blev massive meget hurtigt, " sagde CEERS Survey-medforsker Jeyhan Kartaltepe fra Rochester Institute of Technology i New York.

"Universet var mere kompakt på dette tidspunkt, hvilket betyder, at stjerner og galakser kunne være dannet med en større effektivitet, "Føjede Finkelstein. "Nogle modeller forudsiger, at vi vil finde 50 galakser i tidligere epoker længere væk end Hubble kan nå, men andre forudser, at vi kun vil finde nogle få. I begge tilfælde dataene vil hjælpe os med at begrænse galaksedannelsen i det tidlige univers."

CEERS Survey team håber at identificere en overflod af fjerne objekter, inklusive de fjerneste galakser i universet, tidlige galaksefusioner og interaktioner, de første massive eller supermassive sorte huller, og endnu tidligere kvasarer end tidligere identificeret. Disse potentielle "firsts" er kun begyndelsen på værdien af ​​denne forskning:Holdet, som består af over 100 forskere fra hele verden, vil fortsætte med at klassificere mange objekter i feltet. "Disse data vil hjælpe med at demonstrere, hvordan universets struktur var i forskellige perioder, " forklarede Finkelstein.

Tryk på "Spol tilbage"

Det måske mest spændende element i denne forskning er, hvordan holdet vil bruge dataene til at afdække nye resultater om en vigtig periode af universets historie kaldet "Reioniseringens æra." Big bang satte gang i en række begivenheder, fører til den kosmiske mikrobølgebaggrund, den mørke middelalder, de første stjerner og galakser – og derefter til genioniseringens æra. I denne periode, gassen i universet forvandlet fra hovedsageligt neutral, hvilket betyder, at det var uigennemsigtigt for ultraviolet lys, og blev fuldstændig ioniseret, hvilket gjorde det muligt at være gennemsigtig. Ionisering betyder, at atomerne blev strippet for deres elektroner - hvilket i sidste ende førte til de "klare" forhold, der opdages i store dele af universet i dag.

Der er mange spørgsmål tilbage om denne unikke tid i vores univers. For eksempel, hvad var ansvarlig for at omdanne gassen fra neutral til ioniseret? Og hvor lang tid tog det, før universet blev væsentligt mindre uigennemsigtigt og meget mere gennemsigtigt?

"Vi tror, ​​det skete, da ultraviolet lys undslap unge, danner galakser, "Dickinson forklarede. "Der kan være andre faktorer. For eksempel, tidligt tiltagende sorte huller kan også have udsendt ultraviolet lys, der til sidst hjalp med at transformere gassen."

Hvor galakserne dukker op på himlen giver et andet fingerpeg. "Vi vil undersøge reioniseringstidens galakser for at se, om de er samlet i de samme regioner, eller om de er mere isolerede, " sagde Kartaltepe. "Vi har mange ideer om, hvad der får galakser til at vokse og blive mere massive, men vi har brug for mere omfattende information om disse galakser for fuldt ud at forstå, hvordan de oprindeligt voksede og udviklede sig."

Tilstedeværelsen af ​​galaktiske fusioner eller interaktioner – eller mangel på samme – vil også hjælpe holdet med at spore forholdene i miljøet under reioniseringens æra. "CEERS-undersøgelsen vil give os hints om, hvordan denne periode forløb, " Dickinson tilføjer. "Vi vil helt sikkert lære om de galakser, vi tror er ansvarlige, og håber også at lære om den ioniserende stråling, der undslap dem."

Holdet har designet CEERS-undersøgelsen for at give så mange supplerende data som muligt for mange mål i dette synsfelt. De vil anvende tre af Webbs instrumenter, på flere måder, for at få billeder af Extended Groth Strip, ud over spektre. Spektre er uvurderlige data, da de hjælper forskere med at identificere farverne, temperaturer, bevægelser, og masser af hvert mål, og give et meget mere dybdegående kig på den kemiske sammensætning af fjerne objekter.

"Det er forskellen med Webbs nær-infrarøde spektrograf, eller NIRSpec, " Dickinson understregede. "Vi vil åbne spektrografens mikrolukker-spalter for individuelt at observere hundredvis af galakser for at opnå deres spektre for første gang."

Begynder at opbygge en folketælling

I månederne efter den første dataudgivelse, CEERS Survey-forskerne vil skabe og poste nye værktøjer og kataloger, som enhver forsker kan bruge til at analysere dataene, inklusive masser af galakser, galakse former, og fotometriske rødforskydninger. "Med det samme sæt observationer, hundredvis af forskere kan udføre hundredvis af videnskabelige eksperimenter, " sagde Kartaltepe. "Vi kommer også til at finde ting, vi ikke engang havde tænkt på at spørge om, hvilket er endnu en grund til, at CEERS Survey-forskningen vil være så givende. Vores håb er, at CEERS-undersøgelsen vil påvirke fremtidige fjerngalakseundersøgelser med Webb, "Føjede Finkelstein. "Det vil også demonstrere for samfundet, at observation med en række forskellige instrumenter og metoder er meget gyldige måder at øge Webbs videnskabelige udbytte på."