Mapowanie elementarnych struktur wszechświata i dystrybucji ciemnej materii za pomocą COSMOS-Webb

Ten ambitny program będzie badał pół miliona galaktyk na polu wielkości trzech księżyców w pełni.

Wpatrując się głęboko w ogromny skrawek nieba wielkości trzech księżyców w pełni, NASA’s Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Ambitny program badania pół miliona galaktyk. Ankieta, nazwana COSMOS-Webb, jest największym projektem, jaki Webb podejmie w pierwszym roku swojego istnienia. Mając ponad 200 godzin obserwacji, będzie opierać się na wcześniejszych odkryciach, aby poczynić postępy w trzech konkretnych obszarach badań. Obejmują one zrewolucjonizowanie naszego rozumienia epoki rejonizacji; poszukiwanie wcześnie rozwiniętych galaktyk; Dowiedz się, jak ewoluowała ciemna materia i zawartość gwiazd w galaktykach. Dzięki szybkiemu publicznemu udostępnianiu danych, ankieta ta będzie niezbędnym zbiorem danych ze spuścizny Webb dla naukowców z całego świata, którzy badają galaktyki poza droga Mleczna.

To morze galaktyk jest oryginalnym polem COSMOS, stworzonym z Zaawansowanej Kamery do Przeglądów Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (ACS). Pełna mozaika jest złożeniem 575 oddzielnych obrazów ACS, przy czym każdy obraz ACS wynosi około jednej dziesiątej średnicy księżyca w pełni. Postrzępione krawędzie konturu są spowodowane oddzielnymi obrazami, które tworzą pole badania. Źródło: Anton Koekemoer (STScI) i Nick Scoville (Caltech)

Kiedy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba rozpocznie działalność naukową w 2022 roku, jedną z jego pierwszych misji będzie ambitny program mapowania najstarszych struktur we wszechświecie. Ten szeroki i głęboki przegląd pół miliona galaktyk, nazwany COSMOS-Webb, jest największym projektem, jaki Webb podejmie w swoim pierwszym roku.

Mając ponad 200 godzin obserwacji, COSMOS-Webb przeskanuje duży obszar nieba – 0,6 stopnia kwadratowego – za pomocą kamery bliskiej podczerwieni (NIRCam). To jest rozmiar trzech księżyców w pełni. W tym samym czasie będziesz mapować mniejszy obszar za pomocą instrumentu średniej podczerwieni (MIRI).

Ponad 13 miliardów lat temu, w epoce rejonizacji, wszechświat był zupełnie innym miejscem. Gaz międzygalaktyczny był zbyt nieprzejrzysty dla energetycznego światła, co utrudniało obserwację młodych galaktyk. Co pozwoliło wszechświatowi stać się całkowicie zjonizowanym lub przezroczystym, co ostatecznie doprowadziło do „oczywistych” warunków wykrytych w większości dzisiejszego wszechświata? Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zagłębi się w kosmos, aby zebrać więcej informacji o rzeczach, które istniały w erze rejonizacji, aby pomóc nam zrozumieć tę ważną zmianę w historii wszechświata. Źródło: NASA, ESA i J.Kang (STScI)

To wielka przestrzeń nieba i jest bardzo unikalna dla COSMOS-Webba. Większość programów Webba kopie bardzo głęboko, jak skanowanie wiązką pióra badającą małe fragmenty nieba, wyjaśniła Caitlin Casey, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Teksas w Austin i współlider programu COSMOS-Webb. „Ponieważ zajmujemy duży obszar, możemy przyjrzeć się wielkoskalowym strukturom u zarania formowania się galaktyk. Będziemy również szukać niektórych z najrzadszych wczesnych galaktyk, a także mapować wielkoskalowy rozkład ciemnej materii galaktyk do bardzo wczesnych czasów.”

(Ciemna materia nie pochłania, nie odbija ani nie emituje światła, więc nie można jej zobaczyć bezpośrednio. Wiemy, że ciemna materia istnieje dzięki jej wpływowi na rzeczy, które możemy obserwować.)

COSMOS-Webb będzie badać pół miliona galaktyk dzięki swojemu wielozakresowemu obrazowaniu w bliskiej podczerwieni o wysokiej rozdzielczości oraz bezprecedensową liczbę 32 000 w średniej podczerwieni. Wraz z szybkim publicznym udostępnieniem danych, ankieta ta stanie się niezbędnym zbiorem danych ze spuścizny Webba dla naukowców z całego świata badających galaktyki poza Drogą Mleczną.

Opierając się na osiągnięciach Hubble’a

Badanie COSMOS rozpoczęło się w 2002 roku jako program Hubble’a do zobrazowania znacznie większego obszaru nieba, wokół obszaru 10 księżyców w pełni. Stamtąd współpraca podwoiła się i objęła większość największych światowych teleskopów na Ziemi iw kosmosie. Teraz COSMOS to skanowanie o wielu długościach fal, które obejmuje pełne spektrum promieni rentgenowskich drogą radiową.

Ze względu na swoje położenie na niebie pole COSMOS jest dostępne dla obserwatoriów na całym świecie. Znajduje się na równiku niebieskim i może być badana zarówno z półkuli północnej, jak i południowej, co daje bogatą i zróżnicowaną skarbnicę danych.

„COSMOS stał się ankietą, do której trafia wielu naukowców spoza galaktyki, ponieważ produkty danych są tak szeroko dostępne i obejmują szeroki obszar nieba”, powiedział Jeyhan Kartaltepe z Rochester Institute of Technology, adiunkt fizyki i współkierownik programu COSMOS. „COSMOS-Webb to kolejna odsłona tego, w którym używamy Webba do rozszerzenia naszego zasięgu w bliskiej i średniej podczerwieni części widma, a więc dalej od naszego horyzontu, jak daleko możemy zobaczyć”.

Ambitny program COSMOS-Webb będzie opierał się na wcześniejszych odkryciach, aby rozwijać trzy konkretne obszary badań, w tym: zrewolucjonizować nasze rozumienie ery rejonizacji; poszukiwanie wcześnie rozwiniętych galaktyk; Dowiedz się, jak ewoluowała ciemna materia i zawartość gwiazd w galaktykach.

Cel 1: Zrewolucjonizować nasze rozumienie ery rejonizacji

Wkrótce po Wielkim Wybuchu wszechświat był całkowicie ciemny. Gwiazdy i galaktyki, które otaczają wszechświat światłem, jeszcze się nie uformowały. Zamiast tego wszechświat składał się z pierwotnej zupy z neutralnych atomów wodoru i helu oraz niewidzialnej ciemnej materii. Nazywa się to kosmicznymi ciemnymi wiekami.

Kilkaset milionów lat później pojawiły się pierwsze gwiazdy i galaktyki, które dostarczyły energii do rejonizacji wczesnego wszechświata. Ta energia rozerwała atomy wodoru wypełniające wszechświat, nadając mu ładunek elektryczny i kończąc kosmiczne ciemne wieki. Ta nowa era, w której wszechświat został zalany światłem, nazywana jest erą rejonizacji.

Pierwszy cel COSMOS-Webba skupia się na tej epoce rejonizacji, która miała miejsce od 400 000 do 1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Rejonizacja prawdopodobnie nastąpi w małych kieszeniach, a nie wszystkie naraz. COSMOS-Webb będzie szukał bąbelków, które pokazują, gdzie zrejonizowały się pierwsze kieszenie wczesnego wszechświata. Zespół ma na celu zmapowanie rozmiaru tych bąbelków rejonizacji.

„Hubble wykonał świetną robotę, znajdując garstkę tych galaktyk aż do wczesnych lat, ale potrzebujemy tysięcy więcej galaktyk, aby zrozumieć proces rejonizacji” – wyjaśnił Casey.

Naukowcy nawet nie wiedzą, jakie galaktyki doprowadziły do ​​ery rejonizacji, czy były to bardzo masywne, czy też układy o stosunkowo niskiej masie. COSMOS-Webb będzie miał wyjątkową zdolność do znajdowania masywnych i niezwykle rzadkich galaktyk oraz poznawania ich rozmieszczenia w strukturach wielkoskalowych. Czy zatem galaktyki odpowiedzialne za rejonizację żyją w odpowiedniku kosmicznego miasta, czy też są w większości równomiernie rozmieszczone w przestrzeni? Tylko ankieta o rozmiarze COSMOS-Webb może pomóc naukowcom odpowiedzieć na to pytanie.

Cel 2: Poszukiwanie w pełni rozwiniętych galaktyk

COSMOS-Webb będzie poszukiwał bardzo wczesnych, w pełni rozwiniętych galaktyk, które zatrzymały narodziny gwiazd w ciągu pierwszych 2 miliardów lat po Wielkim Wybuchu. Hubble znalazł garść tych galaktyk, które rzucają wyzwanie istniejącym modelom powstawania wszechświata. Naukowcy starają się wyjaśnić, w jaki sposób te galaktyki mogą zawierać stare gwiazdy i nie tworzyć nowych gwiazd tak wcześnie w historii Wszechświata.

Dzięki dużemu przeglądowi, takiemu jak COSMOS-Webb, zespół znajdzie wiele z tych rzadkich galaktyk. Planują szczegółowe badania tych galaktyk, aby zrozumieć, w jaki sposób mogą ewoluować tak szybko i tak wcześnie zatrzymać formowanie się gwiazd.

Cel 3: Dowiedz się, jak ewoluowała ciemna materia, korzystając z gwiezdnej zawartości galaktyk

COSMOS-Webb zapewni naukowcom wgląd w ewolucję ciemnej materii w galaktykach wraz z gwiezdną zawartością galaktyk w ciągu życia wszechświata.

Galaktyki składają się z dwóch rodzajów materii: zwykłej i świetlistej materii, którą widzimy w gwiazdach i innych rzeczach, oraz niewidzialnej ciemnej materii, która często jest masywniejsza niż galaktyka i może otaczać ją rozszerzonym halo. Te dwa rodzaje materii przeplatają się w procesie powstawania i ewolucji galaktyk. Jednak w tej chwili niewiele wiadomo na temat tego, w jaki sposób masa ciemnej materii powstaje w halo galaktyk i jak ta ciemna materia wpływa na powstawanie galaktyk.

COSMOS-Webb uwypukli ten proces, umożliwiając naukowcom pomiar halo ciemnej materii bezpośrednio przez „słabą soczewkę”. Grawitacja dowolnego rodzaju masy – czy to ciemnej, czy jasnej – może działać jak soczewka, która „zagina” światło, które widzimy z odległych galaktyk. Słabość soczewki zniekształca pozorny kształt galaktyk tła, więc gdy halo znajduje się przed innymi galaktykami, naukowcy mogą bezpośrednio zmierzyć masę ciemnej materii w halo.

powiedział członek zespołu Anton Quikmore, astronom badawczy z Space Telescope Science Institute w Baltimore, który pomógł zaprojektować strategię obserwacyjną programu i jest odpowiedzialny za tworzenie wszystkich obrazów z programu. „To krytyczna era dla nas, aby spróbować zrozumieć, w jaki sposób masa galaktyczna jest wprowadzana na miejsce po raz pierwszy i jak jest popychana przez halo ciemnej materii. A to może pośrednio zasilić nasze zrozumienie powstawania galaktyk”.

Szybko udostępniaj dane społeczności

COSMOS-Webb to oprogramowanie skarbowe, które z definicji ma na celu tworzenie zbiorów danych o trwałej wartości naukowej. Programy skarbowe mają na celu rozwiązanie wielu problemów naukowych przy użyciu jednego, spójnego zestawu danych. Dane pobierane w ramach programu Skarbu zwykle nie mają okresu wyłączności, co umożliwia natychmiastową analizę przez innych badaczy.

„Jako program skarbowy zobowiązujesz się do szybkiego udostępniania swoich danych i produktów z danymi społeczności” – wyjaśnił Kartaltepe. „Stworzymy ten zasób społeczności i udostępnimy go publicznie, aby reszta społeczności mogła go wykorzystać w swoich analizach naukowych”.

Koekemoer dodał: „Program Skarbu jest zaangażowany w publiczne udostępnianie wszystkich tych produktów naukowych, aby każdy w społeczności, nawet bardzo małe organizacje, mógł mieć taki sam równy dostęp do produktów danych, a następnie po prostu zajmować się nauką”.

COSMOS-Webb to program dla ogólnych obserwatorów z pierwszego cyklu. Ogólne programy obserwatorów zostały wybrane w sposób konkurencyjny przy użyciu anonimowego systemu podwójnej recenzji, tego samego systemu, który był używany do przydzielania czasu na Hubble’u.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie pierwszym na świecie obserwatorium nauk o kosmosie, gdy zostanie uruchomiony w 2021 roku. nasze miejsce w nim. Webb to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wraz z partnerami ESA (Europejską Agencją Kosmiczną) i Kanadyjską Agencją Kosmiczną.