Astronomen en ingenieurs hebben telescopen ontworpen, gedeeltelijk, om "tijdreizigers" te zijn. Hoe verder weg een object is, hoe langer het duurt voordat het licht de aarde bereikt. Terugkijken in de tijd is een van de redenen waarom NASA's aankomende James Webb Space Telescope zich specialiseert in het verzamelen van infrarood licht:deze langere golflengten, die oorspronkelijk meer dan 13 miljard jaar geleden door sterren en sterrenstelsels werden uitgestraald als ultraviolet licht, hebben uitgerekt, of roodverschoven, in infrarood licht terwijl ze door het uitdijende heelal naar ons toe reisden.

Hoewel veel andere observatoria, inclusief NASA's Hubble-ruimtetelescoop, eerder "diepe velden" hebben gecreëerd door lange tijd naar kleine delen van de lucht te staren, de Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey, geleid door Steven L. Finkelstein van de Universiteit van Texas in Austin, zal de eerste zijn voor Webb. Hij en zijn onderzoeksteam zullen iets meer dan 60 uur besteden aan het richten van de telescoop op een stukje van de hemel dat bekend staat als de Extended Groth Strip, die werd waargenomen als onderdeel van Hubble's Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey of CANDELS.

"Met Webb, we willen de eerste verkenning voor sterrenstelsels nog dichter bij de oerknal doen, "Zei Finkelstein. "Het is absoluut niet mogelijk om dit onderzoek met een andere telescoop te doen. Webb is in staat om opmerkelijke dingen te doen bij golflengten die in het verleden moeilijk waarneembaar waren, op de grond of in de ruimte."

Mark Dickinson van het National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory van de National Science Foundation in Arizona, en een van de medeonderzoekers van CEERS Survey, geeft een knipoog naar Hubble terwijl hij ook uitkijkt naar de observaties van Webb. "Enquêtes zoals het Hubble Deep Field hebben ons in staat gesteld om de geschiedenis van kosmische stervorming in sterrenstelsels binnen een half miljard jaar na de oerknal tot aan het heden in verrassend detail in kaart te brengen, " zei hij. "Met CEERS, Webb zal nog verder kijken om nieuwe gegevens aan die onderzoeken toe te voegen."

Het ongeziene verlossen

Hoe zag het vroege heelal eruit? Er zijn zeker veel datapunten, maar niet genoeg om een ​​uitputtende telling van de omstandigheden te maken. Plus, de kennis en veronderstellingen van onderzoekers worden regelmatig bijgewerkt - elke keer dat er een nieuwe diepe blootstelling wordt vrijgegeven. "Elke keer als we verder kijken, we vinden sterrenstelsels vroeger en vroeger dan we voor mogelijk hielden. De omstandigheden in het zeer vroege heelal moesten juist zijn om sterrenstelsels te laten ontstaan ​​- en ze vormden zich en werden zeer snel massief, " zei CEERS Survey mede-onderzoeker Jeyhan Kartaltepe van het Rochester Institute of Technology in New York.

"Het universum was toen compacter, wat betekent dat sterren en sterrenstelsels zich met een grotere efficiëntie hadden kunnen vormen, " voegde Finkelstein toe. "Sommige modellen voorspellen dat we 50 sterrenstelsels zullen vinden in eerdere tijdperken, verder weg dan Hubble kan bereiken, maar anderen voorspellen dat we er maar een paar zullen vinden. In beide gevallen, de gegevens zullen ons helpen de vorming van sterrenstelsels in het vroege universum te beperken."

Het CEERS Survey-team hoopt een overvloed aan verre objecten te identificeren, inclusief de verste sterrenstelsels in het heelal, vroege melkwegfusies en interacties, de eerste massieve of superzware zwarte gaten, en zelfs eerdere quasars dan eerder geïdentificeerd. Deze potentiële "primeurs" zijn slechts het begin van de waarde van dit onderzoek:het team, die bestaat uit meer dan 100 onderzoekers van over de hele wereld, zal doorgaan met het classificeren van veel objecten in het veld. "Deze gegevens zullen helpen aantonen hoe de structuur van het universum er in verschillende perioden uitzag, " legde Finkelstein uit.

Druk op "Terugspoelen"

Misschien wel het meest opwindende element van dit onderzoek is hoe het team de gegevens zal gebruiken om nieuwe bevindingen te ontdekken over een belangrijke periode in de geschiedenis van het universum, het 'Era of Reionization'. De oerknal veroorzaakte een reeks gebeurtenissen, leidend tot de kosmische microgolfachtergrond, de donkere middeleeuwen, de eerste sterren en sterrenstelsels - en vervolgens naar het tijdperk van reïonisatie. Gedurende deze periode, het gas in het universum getransformeerd van grotendeels neutraal, wat betekent dat het ondoorzichtig was voor ultraviolet licht, en werd volledig geïoniseerd, waardoor het transparant was. Ionisatie betekent dat de atomen van hun elektronen werden ontdaan - wat uiteindelijk leidde tot de "heldere" omstandigheden die tegenwoordig in een groot deel van het universum worden gedetecteerd.

Er blijven veel vragen over deze unieke tijd in ons universum. Bijvoorbeeld, wat was verantwoordelijk voor het omzetten van het gas van neutraal naar geïoniseerd? En hoe lang duurde het voordat het heelal beduidend minder ondoorzichtig en veel transparanter werd?

"We denken dat dit gebeurde toen ultraviolet licht jong ontsnapte, sterrenstelsels vormen, " verklaarde Dickinson. "Er kunnen andere factoren zijn. Bijvoorbeeld, vroege aangroeiende zwarte gaten hebben mogelijk ook ultraviolet licht uitgestraald dat uiteindelijk heeft bijgedragen aan de transformatie van het gas."

Waar de sterrenstelsels aan de hemel verschijnen, biedt nog een aanwijzing. "We zullen sterrenstelsels uit het reïonisatietijdperk onderzoeken om te zien of ze samen in dezelfde regio's zijn geclusterd of dat ze meer geïsoleerd zijn, " zei Kartaltepe. "We hebben veel ideeën over de oorzaken van sterrenstelsels om te groeien en massiever te worden, maar we hebben meer uitgebreide informatie over deze sterrenstelsels nodig om volledig te begrijpen hoe ze aanvankelijk groeiden en evolueerden."

De aanwezigheid van galactische fusies of interacties - of het ontbreken daarvan - zal het team ook helpen de omstandigheden van de omgeving tijdens het tijdperk van reïonisatie te traceren. "De CEERS-enquête zal ons hints geven over hoe deze periode is verlopen, "Dickinson voegt eraan toe. "We zullen zeker leren over de sterrenstelsels waarvan we denken dat ze verantwoordelijk zijn, en hopen ook te leren over de ioniserende straling die hen ontsnapte."

Het team heeft de CEERS-enquête ontworpen om zoveel mogelijk aanvullende gegevens te leveren voor veel doelen in dit gezichtsveld. Ze zullen drie van Webb's instrumenten gebruiken, in verschillende modi, om afbeeldingen van de Extended Groth Strip te verkrijgen, naast spectra. Spectra zijn gegevens van onschatbare waarde omdat ze onderzoekers helpen de kleuren te identificeren, temperaturen, bewegingen, en massa's van elk doel, en bieden een veel diepgaandere kijk op de chemische samenstelling van verre objecten.

"Dat is het verschil met Webb's Near-Infrared Spectrograph, of NIRSpec, "Dickinson benadrukte. "We zullen de microshutter-spleten van de spectrograaf openen om honderden sterrenstelsels individueel te observeren om hun spectra voor de eerste keer te verkrijgen."

Beginnen met het maken van een volkstelling

In de maanden na de eerste publicatie van de gegevens, de CEERS Survey-onderzoekers zullen nieuwe tools en catalogi maken en publiceren die elke onderzoeker kan gebruiken om de gegevens te analyseren, inclusief massa's sterrenstelsels, melkwegvormen, en fotometrische roodverschuivingen. "Met dezelfde reeks observaties, honderden onderzoekers kunnen honderden wetenschappelijke experimenten uitvoeren, " zei Kartaltepe. "We gaan ook dingen vinden waarvan we niet eens hadden gedacht om te vragen, dat is nog een reden waarom het CEERS Survey-onderzoek zo lonend zal zijn. We hopen dat het CEERS-onderzoek toekomstige onderzoeken naar verre melkwegstelsels zal beïnvloeden met Webb, " voegde Finkelstein toe. "Het zal de gemeenschap ook aantonen dat observeren met een verscheidenheid aan instrumenten en modi zeer geldige manieren zijn om de wetenschappelijke opbrengst van Webb te vergroten."