Kortlægning af universets tidligste strukturer med COSMOS-webb

Når NASAs James Webb-rumteleskop begynder videnskabelige operationer i 2022, en af ​​dens første opgaver bliver et ambitiøst program til at kortlægge de tidligste strukturer i universet. Kaldet COSMOS-Webb, denne brede og dybe undersøgelse af en halv million galakser er det største projekt, Webb vil påtage sig i løbet af sit første år.

Med mere end 200 timers observationstid, COSMOS-Webb vil undersøge en stor del af himlen - 0,6 kvadratgrader - med Near-Infrared Camera (NIRCam). Det er på størrelse med tre fuldmåner. Det vil samtidig kortlægge et mindre område med det midt-infrarøde instrument (MIRI).

"Det er en stor del af himlen, hvilket er ret unikt for COSMOS-Webb-programmet. De fleste Webb-programmer borer meget dybt, som blyantstråleundersøgelser, der studerer små pletter af himlen, " forklarede Caitlin Casey, en assisterende professor ved University of Texas i Austin og medleder af COSMOS-Webb-programmet. "Fordi vi dækker så stort et område, vi kan se på strukturer i stor skala ved begyndelsen af ​​galaksedannelsen. Vi vil også lede efter nogle af de sjældneste galakser, der eksisterede tidligt, samt kortlægge den store fordeling af mørkt stof af galakser til meget tidlige tider."

(Mørkt stof absorberer ikke, afspejle, eller udsender lys, så det kan ikke ses direkte. Vi ved, at mørkt stof eksisterer på grund af den effekt, det har på objekter, som vi kan observere.)

COSMOS-Webb vil studere en halv million galakser med multi-band, høj opløsning, nær-infrarød billeddannelse, og en hidtil uset 32, 000 galakser i det mellemste infrarøde område. Med sin hurtige offentlige frigivelse af dataene, denne undersøgelse vil være et primært arvedatasæt fra Webb for videnskabsmænd over hele verden, der studerer galakser hinsides Mælkevejen.

Bygger på Hubbles præstationer

COSMOS-undersøgelsen begyndte i 2002 som et Hubble-program til at afbilde en meget større del af himlen, omkring arealet af 10 fuldmåner. Derfra, samarbejdet sneede sig til at omfatte de fleste af verdens store teleskoper på Jorden og i rummet. Nu er COSMOS en multi-bølgelængde undersøgelse, der dækker hele spektret fra røntgen gennem radioen.

På grund af sin placering på himlen, COSMOS-feltet er tilgængeligt for observatorier rundt om i verden. Beliggende på den himmelske ækvator, det kan studeres fra både den nordlige og sydlige halvkugle, resulterer i et rigt og forskelligartet skatkammer af data.

"COSMOS er blevet den undersøgelse, som mange ekstragalaktiske forskere går til for at udføre deres analyser, fordi dataprodukterne er så bredt tilgængelige, og fordi den dækker et så stort område af himlen, " sagde Rochester Institute of Technologys Jeyhan Kartaltepe, assisterende professor i fysik og medleder af COSMOS-Webb-programmet. "COSMOS-Webb er den næste del af det, hvor vi bruger Webb til at udvide vores dækning i den nær- og melleminfrarøde del af spektret, og derfor skubber vi ud af vores horisont, hvor langt væk vi kan se."

Den ambitiøse COSMOS-Webb vil bygge på tidligere opdagelser for at gøre fremskridt inden for tre særlige studieområder, herunder:revolutionere vores forståelse af reioniseringsæraen; leder efter tidligt, fuldt udviklede galakser; og lære, hvordan mørkt stof udviklede sig med galaksers stjerneindhold.

Mål 1:Revolutionere vores forståelse af reioniseringsæraen

Kort efter det store brag, universet var helt mørkt. Stjerner og galakser, som bader kosmos i lys, endnu ikke var dannet. I stedet, universet bestod af en ursuppe af neutrale brint- og heliumatomer og usynligt mørkt stof. Dette kaldes den kosmiske mørke middelalder.

Efter flere hundrede millioner år, de første stjerner og galakser dukkede op og gav energi til at reionisere det tidlige univers. Denne energi flåede brintatomerne fra hinanden, der fyldte universet, give dem en elektrisk ladning og afslutte den kosmiske mørke middelalder. Denne nye æra, hvor universet blev oversvømmet med lys, kaldes genioniseringsæraen.

Det første mål for COSMOS-Webb fokuserer på denne epoke med reionisering, som fandt sted fra 400, 000 til 1 milliard år efter big bang. Genionisering skete sandsynligvis i små lommer, ikke alle på én gang. COSMOS-Webb vil lede efter bobler, der viser, hvor de første lommer i det tidlige univers blev reioniseret. Holdet sigter mod at kortlægge omfanget af disse reioniseringsbobler.

"Hubble har gjort et fantastisk stykke arbejde med at finde håndfulde af disse galakser til tidlige tider, men vi har brug for tusindvis flere galakser for at forstå reioniseringsprocessen, " forklarede Casey.

Forskere ved ikke engang, hvilken slags galakser der indvarslede genioniseringsæraen, uanset om de er meget massive eller relativt lavmassesystemer. COSMOS-Webb vil have en unik evne til at finde meget massive, sjældne galakser og se, hvordan deres fordeling er i store strukturer. Så, er galakserne ansvarlige for reionisering, der lever i det, der svarer til en kosmisk metropol, eller er de for det meste jævnt fordelt over rummet? Kun en undersøgelse på størrelse med COSMOS-Webb kan hjælpe videnskabsmænd med at besvare dette.

Mål 2:Leder efter tidligt, fuldt udviklede galakser

COSMOS-Webb vil søge efter meget tidligt, fuldt udviklede galakser, der lukkede ned for stjernefødsel i de første 2 milliarder år efter big bang. Hubble har fundet en håndfuld af disse galakser, som udfordrer eksisterende modeller om, hvordan universet blev til. Forskere kæmper for at forklare, hvordan disse galakser kunne have gamle stjerner og ikke danne nye stjerner så tidligt i universets historie.

Med en stor undersøgelse som COSMOS-Webb, holdet vil finde mange af disse sjældne galakser. De planlægger detaljerede undersøgelser af disse galakser for at forstå, hvordan de kunne have udviklet sig så hurtigt og slukket for stjernedannelse så tidligt.

Mål 3:At lære, hvordan mørkt stof udviklede sig med galaksers stjerneindhold

COSMOS-Webb vil give videnskabsfolk indsigt i, hvordan mørkt stof i galakser har udviklet sig med galaksernes stjerneindhold i løbet af universets levetid.

Galakser er lavet af to typer stof:normal, lysende stof, som vi ser i stjerner og andre objekter, og usynlig mørkt stof, som ofte er mere massiv end galaksen og kan omgive den i en udvidet glorie. Disse to slags stof er sammenflettet i galaksedannelse og evolution. Imidlertid, i øjeblikket er der ikke meget viden om, hvordan massen af ​​mørkt stof i galaksernes glorier blev dannet, og hvordan det mørke stof påvirker dannelsen af ​​galakserne.

COSMOS-Webb vil kaste lys over denne proces ved at tillade videnskabsmænd at måle disse mørke stof-haloer direkte gennem "svag linse". Tyngdekraften fra enhver type masse – uanset om den er mørk eller lysende – kan tjene som en linse til at "bøje" lyset, vi ser fra fjernere galakser. Svag linse forvrænger den tilsyneladende form af baggrundsgalakser, så når en glorie er placeret foran andre galakser, videnskabsmænd kan direkte måle massen af ​​gloriens mørke stof.

"For første gang, vi vil være i stand til at måle forholdet mellem massen af ​​mørkt stof og den lysende masse af galakser tilbage til de første 2 milliarder år af kosmisk tid, " sagde teammedlem Anton Koekemoer, en forskningsastronom ved Space Telescope Science Institute i Baltimore, som har været med til at designe programmets observationsstrategi og står for at konstruere alle billederne fra programmet. "Det er en afgørende epoke for os at forsøge at forstå, hvordan galaksernes masse først blev sat på plads, og hvordan det er drevet af haloerne af mørkt stof. Og det kan så indirekte indgå i vores forståelse af galaksedannelse."

Hurtigt at dele data med fællesskabet

COSMOS-Webb er et finansprogram, som per definition er designet til at skabe datasæt af varig videnskabelig værdi. Treasury-programmer stræber efter at løse flere videnskabelige problemer med en enkelt, sammenhængende datasæt. Data taget under et Treasury-program har normalt ingen eksklusiv adgangsperiode, muliggør øjeblikkelig analyse af andre forskere.

"Som et finansielt program, du forpligter dig til hurtigt at frigive dine data og dine dataprodukter til fællesskabet, " forklarede Kartaltepe. "Vi vil producere denne fællesskabsressource og gøre den offentlig tilgængelig, så resten af ​​fællesskabet kan bruge den i deres videnskabelige analyser."

Koekemoer tilføjede, "Et Treasury-program forpligter sig til at gøre alle disse videnskabelige produkter offentligt tilgængelige, så alle i samfundet, selv på meget små institutioner, kan have det samme, lige adgang til dataprodukterne og så bare gøre videnskaben."

COSMOS-Webb er et Cycle 1 General Observers-program. General Observers-programmerne blev udvalgt til konkurrence ved hjælp af et dobbelt-anonymt gennemgangssystem, det samme system, som bruges til at allokere tid på Hubble.

James Webb Space Telescope vil være verdens førende rumvidenskabelige observatorium, når det opsendes i 2021. Webb vil løse mysterier i vores solsystem, se ud over til fjerne verdener omkring andre stjerner, og undersøge de mystiske strukturer og oprindelsen af ​​vores univers og vores plads i det. Webb er et internationalt program ledet af NASA med dets partnere, ESA (European Space Agency) og Canadian Space Agency.