De elementaire structuren van het heelal en de verspreiding van donkere materie in kaart brengen met behulp van COSMOS-Webb

Dit ambitieuze programma zal een half miljoen sterrenstelsels bestuderen in een veld ter grootte van drie volle manen.

Diep starend in een enorm stuk lucht ter grootte van drie volle manen, NASA’s James Webb Ruimtetelescoop Een ambitieus programma om een ​​half miljoen sterrenstelsels te bestuderen. Het onderzoek, COSMOS-Webb genaamd, is het grootste project dat Webb in het eerste jaar zal uitvoeren. Met meer dan 200 uur observatietijd zal het voortbouwen op eerdere ontdekkingen om vooruitgang te boeken in drie specifieke studiegebieden. Deze omvatten een revolutie in ons begrip van het tijdperk van reïonisatie; zoeken naar vroeg ontwikkelde sterrenstelsels; En leer hoe donkere materie en de stellaire inhoud van sterrenstelsels zijn geëvolueerd. Met snelle openbare vrijgave van gegevens zal dit onderzoek een essentiële legacy-gegevensset van Webb zijn voor wetenschappers over de hele wereld die sterrenstelsels daarbuiten bestuderen. Melkweg.

Deze zee van sterrenstelsels is het originele COSMOS-veld compleet van de Advanced Camera for Surveys (ACS) van de Hubble Space Telescope. Het volledige mozaïek is een samenstelling van 575 afzonderlijke ACS-beelden, waarbij elk ACS-beeld ongeveer een tiende van de diameter van de volle maan is. De gekartelde randen van de omtrek zijn te wijten aan de afzonderlijke afbeeldingen waaruit het onderzoeksveld bestaat. Credits: Anton Koekemoer (STScI) en Nick Scoville (Caltech)

Wanneer NASA’s James Webb Space Telescope in 2022 met wetenschappelijke operaties begint, zal een van zijn eerste missies een ambitieus programma zijn om de oudste structuren in het universum in kaart te brengen. Dit brede en diepe onderzoek van een half miljoen sterrenstelsels, genaamd COSMOS-Webb, is het grootste project dat Webb in het eerste jaar zal uitvoeren.

Met meer dan 200 uur observatietijd scant COSMOS-Webb een groot deel van de lucht – 0,6 vierkante graden – met behulp van zijn nabij-infraroodcamera (NIRCam). Dit is de grootte van drie volle manen. Tegelijkertijd brengt u een kleiner gebied in kaart met het Mid-Infrared Instrument (MIRI).

Meer dan 13 miljard jaar geleden, tijdens het tijdperk van reïonisatie, was het universum een ​​heel andere plaats. Het intergalactische gas was te ondoorzichtig voor energetisch licht, waardoor jonge sterrenstelsels moeilijk waarneembaar waren. Wat zorgde ervoor dat het universum volledig geïoniseerd of transparant werd, wat uiteindelijk leidde tot de “voor de hand liggende” omstandigheden die tegenwoordig in het grootste deel van het universum worden gedetecteerd? De James Webb-ruimtetelescoop zal dieper in de ruimte graven om meer informatie te verzamelen over dingen die bestonden tijdens het tijdperk van reïonisatie om ons te helpen deze belangrijke verschuiving in de geschiedenis van het universum te begrijpen. Krediet: NASA, ESA en J.Kang (STScI)

Het is een grote uitgestrektheid van de lucht, en het is heel uniek voor COSMOS-Webb. De meeste Webb-programma’s graven erg diep, zoals pen-beam-scans die kleine stukjes lucht bestuderen, legt Caitlin Casey uit, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Texas in Austin en co-leider van het COSMOS-Webb-programma. “Omdat we een groot gebied bestrijken, kunnen we kijken naar de grootschalige structuren aan het begin van de vorming van sterrenstelsels. We zullen ook op zoek gaan naar enkele van de zeldzaamste vroege sterrenstelsels, evenals de grootschalige distributie van donkere materie van sterrenstelsels in kaart brengen tot zeer vroege tijden.”

(Donkere materie absorbeert, reflecteert of straalt geen licht uit, dus het kan niet direct worden gezien. We weten dat donkere materie bestaat vanwege het effect dat het heeft op dingen die we kunnen waarnemen.)

COSMOS-Webb zal een half miljoen sterrenstelsels bestuderen met zijn multi-band, hoge resolutie, nabij-infrarood beeldvorming, en een ongekende 32.000 in het midden-infrarood. Met de snelle openbare publicatie van gegevens zal dit onderzoek een essentiële Webb-gegevensset zijn voor wetenschappers over de hele wereld die sterrenstelsels buiten de Melkweg bestuderen.

Voortbouwen op de prestaties van Hubble

Het COSMOS-onderzoek begon in 2002 als Hubble’s programma om een ​​veel groter deel van de lucht in beeld te brengen, rond het gebied van 10 volle manen. Van daaruit verdubbelde de samenwerking en omvatte de meeste van ’s werelds grootste telescopen op aarde en in de ruimte. Nu is COSMOS een multi-golflengte scan die het volledige spectrum van röntgenstraling via radio bestrijkt.

Vanwege zijn positie aan de hemel is het COSMOS-veld toegankelijk voor observatoria over de hele wereld. Het bevindt zich op de hemelevenaar en kan worden bestudeerd vanaf zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond, wat resulteert in een rijke en diverse schat aan gegevens.

“COSMOS is het onderzoek geworden waar veel extragalactische wetenschappers naartoe gaan voor hun analyses omdat de dataproducten zo algemeen beschikbaar zijn en omdat ze een groot deel van de hemel bestrijken”, zegt Jeyhan Kartaltepe van het Rochester Institute of Technology, universitair docent natuurkunde en co-leider van het COSMOS-programma Web. “COSMOS-Webb is de volgende aflevering daarvan, waarbij we Webb gebruiken om onze dekking in het nabije en midden-infrarode deel van het spectrum uit te breiden, dus verder weg van onze horizon, hoe ver we kunnen zien.”

Het ambitieuze COSMOS-Webb-programma zal voortbouwen op eerdere ontdekkingen om drie specifieke studiegebieden vooruit te helpen, waaronder: een revolutie in ons begrip van het tijdperk van reïonisatie; zoeken naar vroeg ontwikkelde sterrenstelsels; En leer hoe donkere materie en de stellaire inhoud van sterrenstelsels zijn geëvolueerd.

Doel 1: Een revolutie teweegbrengen in ons begrip van het tijdperk van reïonisatie

Kort na de oerknal was het heelal helemaal donker. De sterren en sterrenstelsels, die het heelal in licht baden, waren nog niet gevormd. In plaats daarvan bestond het universum uit een oersoep van neutrale waterstof- en heliumatomen en onzichtbare donkere materie. Dit wordt de kosmische donkere middeleeuwen genoemd.

Enkele honderden miljoenen jaren later verschenen de eerste sterren en sterrenstelsels die de energie leverden om het vroege heelal opnieuw te ioniseren. Deze energie verscheurde de waterstofatomen die het universum vulden, gaf het een elektrische lading en maakte een einde aan de kosmische donkere eeuwen. Dit nieuwe tijdperk waarin het universum werd overspoeld met licht, wordt het tijdperk van reïonisatie genoemd.

Het eerste doelwit van COSMOS-Webb richt zich op dit tijdperk van reïonisatie, dat 400.000 tot 1 miljard jaar na de oerknal plaatsvond. Reïonisatie zal waarschijnlijk in kleine zakken plaatsvinden, niet allemaal tegelijk. COSMOS-Webb gaat op zoek naar bubbels die laten zien waar de eerste holtes van het vroege universum opnieuw geïoniseerd zijn. Het team wil de grootte van deze reïonisatiebellen in kaart brengen.

“Hubble heeft tot op jonge leeftijd geweldig werk verricht door een handvol van deze sterrenstelsels te vinden, maar we hebben nog duizenden andere sterrenstelsels nodig om het reïonisatieproces te begrijpen”, legt Casey uit.

Wetenschappers weten niet eens wat voor soort sterrenstelsels hebben geleid tot het tijdperk van reïonisatie, of het nu zeer massieve of relatief lage massasystemen waren. COSMOS-Webb zal het unieke vermogen hebben om massieve en uiterst zeldzame sterrenstelsels te vinden en te leren hoe ze worden verspreid in grootschalige structuren. Dus, zijn sterrenstelsels die verantwoordelijk zijn voor reïonisatie in het equivalent van een kosmische stad, of zijn ze meestal gelijk verdeeld over de ruimte? Alleen een COSMOS-Webb-enquête kan wetenschappers helpen deze vraag te beantwoorden.

Doelstelling 2: Zoeken naar volledig geëvolueerde sterrenstelsels

COSMOS-Webb gaat op zoek naar zeer vroege, volledig ontwikkelde sterrenstelsels die de geboorte van sterren in de eerste 2 miljard jaar na de oerknal hebben gestopt. Hubble heeft een handvol van deze sterrenstelsels gevonden, die bestaande modellen van de vorming van het heelal uitdagen. Wetenschappers worstelen om uit te leggen hoe deze sterrenstelsels oude sterren kunnen bevatten en geen nieuwe sterren kunnen vormen zo vroeg in de geschiedenis van het universum.

Via een groot onderzoek zoals COSMOS-Webb zal het team veel van deze zeldzame sterrenstelsels vinden. Ze plannen gedetailleerde studies van deze sterrenstelsels om te begrijpen hoe ze zo snel konden evolueren en de stervorming zo vroeg konden stoppen.

Doelstelling 3: Leer hoe donkere materie is geëvolueerd met behulp van de stellaire inhoud van sterrenstelsels

COSMOS-Webb zal wetenschappers inzicht geven in hoe donkere materie in sterrenstelsels is geëvolueerd met de stellaire inhoud van sterrenstelsels gedurende de levensduur van het universum.

Sterrenstelsels zijn gemaakt van twee soorten materie: gewone en lichtgevende materie die we in sterren en andere dingen zien, en onzichtbare donkere materie, die vaak massiever is dan een sterrenstelsel en het kan omringen in een uitgebreide halo. Deze twee soorten materie zijn met elkaar verweven in de vorming en evolutie van sterrenstelsels. Op dit moment is er echter niet veel kennis over hoe de massa donkere materie wordt gevormd in de halo’s van sterrenstelsels, en hoe deze donkere materie de vorming van sterrenstelsels beïnvloedt.

COSMOS-Webb zal dit proces onder de aandacht brengen door wetenschappers in staat te stellen halo’s van donkere materie rechtstreeks door een “zwakke lens” te meten. De zwaartekracht van elk type massa – of het nu donker of lichtgevend is – kan fungeren als een lens om het licht dat we zien van verre sterrenstelsels te “buigen”. De zwakte van de lens vervormt de schijnbare vorm van de achtergrondstelsels, dus wanneer de halo voor andere sterrenstelsels ligt, kunnen wetenschappers de massa donkere materie in de halo direct meten.

zei teamlid Anton Quikmore, een onderzoeksastronoom bij het Space Telescope Science Institute in Baltimore, die hielp bij het ontwerpen van de observatiestrategie van het programma en verantwoordelijk is voor het maken van alle afbeeldingen van het programma. “Dit is een kritiek tijdperk voor ons om te proberen te begrijpen hoe galactische massa voor de eerste keer op zijn plaats wordt gezet, en hoe dit wordt geduwd door halo’s van donkere materie. En dat zou indirect ons begrip van de vorming van sterrenstelsels kunnen voeden.”

Deel snel gegevens met de community

COSMOS-Webb is treasury-software, die per definitie is ontworpen om datasets van blijvende wetenschappelijke waarde te creëren. Treasury-programma’s proberen meerdere wetenschappelijke problemen op te lossen met behulp van een enkele, samenhangende dataset. Gegevens die in het kader van het Treasury-programma zijn genomen, hebben meestal geen exclusieve toegangsperiode, waardoor directe analyse door andere onderzoekers mogelijk is.

“Als treasury-programma zet u zich in voor de snelle vrijgave van uw gegevens en gegevensproducten aan de gemeenschap”, legt Kartaltepe uit. “We zullen dit gemeenschapshulpmiddel produceren en openbaar maken, zodat de rest van de gemeenschap het kan gebruiken in hun wetenschappelijke analyses.”

Koekemoer voegde toe: “Het Treasury-programma zet zich in om al deze wetenschappelijke producten openbaar beschikbaar te maken, zodat iedereen in de gemeenschap, zelfs zeer kleine organisaties, dezelfde gelijke toegang tot dataproducten kan hebben en vervolgens gewoon de wetenschap kan doen.”

COSMOS-Webb is een programma voor algemene waarnemers uit de eerste cyclus. Algemene waarnemersprogramma’s werden competitief geselecteerd met behulp van een anoniem dubbel beoordelingssysteem, hetzelfde systeem dat werd gebruikt voor het toewijzen van tijd op Hubble.

De James Webb Space Telescope wordt ’s werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium wanneer hij in 2021 wordt gelanceerd. Webb zal de mysteries van ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren en de mysterieuze structuren en oorsprong van het universum onderzoeken en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met haar partners ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.