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

Met meer dan 200 uur observatietijd, COSMOS-Webb zal met de Near-Infrared Camera (NIRCam) een groot deel van de lucht - 0,6 vierkante graden - in beeld brengen. Dat is de grootte van drie volle manen. Het zal tegelijkertijd een kleiner gebied in kaart brengen met het Mid-Infrared Instrument (MIRI).

"Het is een groot stuk lucht, wat vrij uniek is voor het COSMOS-Webb-programma. De meeste Webb-programma's boren erg diep, zoals potloodstraalonderzoeken die kleine stukjes lucht bestuderen, " legde Caitlin Casey uit, een assistent-professor aan de Universiteit van Texas in Austin en co-leider van het COSMOS-Webb-programma. "Omdat we zo'n groot gebied bestrijken, we kunnen kijken naar grootschalige structuren aan het begin van de vorming van sterrenstelsels. We zullen ook op zoek gaan naar enkele van de zeldzaamste sterrenstelsels die vroeger bestonden, evenals de grootschalige distributie van donkere materie van sterrenstelsels in kaart brengen tot zeer vroege tijden."

(Donkere materie absorbeert niet, reflecteren, of licht uitstralen, dus het is niet direct te zien. We weten dat donkere materie bestaat vanwege het effect dat het heeft op objecten die we kunnen waarnemen.)

COSMOS-Webb gaat een half miljoen sterrenstelsels met multiband, hoge resolutie, nabij-infrarood beeldvorming, en een ongekende 32, 000 sterrenstelsels in het midden-infrarood. Met de snelle openbare vrijgave van de gegevens, dit onderzoek zal een primaire legacy-dataset van Webb 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 een Hubble-programma om een ​​veel groter stuk lucht in beeld te brengen, ongeveer het gebied van 10 volle manen. Vanaf daar, de samenwerking zorgde voor een sneeuwbaleffect en omvatte de meeste van 's werelds grootste telescopen op aarde en in de ruimte. Nu is COSMOS een onderzoek met meerdere golflengten dat het hele spectrum van röntgenstraling tot radio bestrijkt.

Door zijn ligging aan de hemel, het COSMOS-veld is toegankelijk voor observatoria over de hele wereld. Gelegen op de hemelevenaar, het kan zowel van het noordelijk als het zuidelijk halfrond worden bestudeerd, resulterend in een rijke en diverse schat aan gegevens.

"COSMOS is het onderzoek geworden waar veel extragalactische wetenschappers naartoe gaan om hun analyses uit te voeren, omdat de dataproducten zo algemeen beschikbaar zijn, en omdat het zo'n groot deel van de lucht beslaat, " zei Jeyhan Kartaltepe van het Rochester Institute of Technology, universitair docent natuurkunde en co-leider van het COSMOS-Webb-programma. "COSMOS-Webb is de volgende aflevering daarvan, waar we Webb gebruiken om onze dekking uit te breiden in het nabije en midden-infrarode deel van het spectrum, en daardoor onze horizon verleggen, hoe ver weg we kunnen zien."

Het ambitieuze COSMOS-Webb zal voortbouwen op eerdere ontdekkingen om vooruitgang te boeken op drie specifieke studiegebieden, inclusief:een revolutie teweegbrengen in ons begrip van het reïonisatietijdperk; vroeg zoeken, volledig geëvolueerde sterrenstelsels; en leren hoe donkere materie evolueerde met de stellaire inhoud van sterrenstelsels.

Doel 1:Een revolutie teweegbrengen in ons begrip van het reïonisatietijdperk

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

Na enkele honderden miljoenen jaren, de eerste sterren en sterrenstelsels kwamen tevoorschijn en leverden energie om het vroege heelal opnieuw te ioniseren. Deze energie scheurde de waterstofatomen die het universum vulden uit elkaar, ze een elektrische lading geven en een einde maken aan de kosmische donkere middeleeuwen. Dit nieuwe tijdperk waarin het universum werd overspoeld met licht, wordt het reïonisatietijdperk genoemd.

Het eerste doel van COSMOS-Webb richt zich op dit tijdperk van reïonisatie, die plaatsvond vanaf 400, 000 tot 1 miljard jaar na de oerknal. Reïonisatie gebeurde waarschijnlijk in kleine zakken, niet alles te gelijk. COSMOS-Webb gaat op zoek naar bubbels die laten zien waar de eerste holtes van het vroege universum opnieuw werden geïoniseerd. Het team wil de omvang van deze reïonisatiebubbels in kaart brengen.

"Hubble heeft geweldig werk verricht door een handvol van deze sterrenstelsels tot in de vroege tijden te vinden, maar we hebben nog duizenden sterrenstelsels nodig om het reïonisatieproces te begrijpen, ’ legde Casey uit.

Wetenschappers weten niet eens wat voor soort sterrenstelsels het reïonisatietijdperk hebben ingeluid, of het nu zeer massieve of relatief lage massasystemen zijn. COSMOS-Webb zal een uniek vermogen hebben om zeer massieve, zeldzame sterrenstelsels en zie hoe hun verspreiding eruit ziet in grootschalige structuren. Dus, zijn de sterrenstelsels die verantwoordelijk zijn voor reïonisatie en leven in het equivalent van een kosmische metropool, of zijn ze meestal gelijk verdeeld over de ruimte? Alleen een enquête ter grootte van COSMOS-Webb kan wetenschappers helpen om dit te beantwoorden.

Doel 2:Op zoek naar vroege, volledig geëvolueerde sterrenstelsels

COSMOS-Webb zoekt heel vroeg naar, volledig geëvolueerde sterrenstelsels die de geboorte van sterren in de eerste 2 miljard jaar na de oerknal stopzetten. Hubble heeft een handvol van deze sterrenstelsels gevonden, die bestaande modellen uitdagen over hoe het universum is gevormd. Wetenschappers worstelen om uit te leggen hoe deze sterrenstelsels oude sterren kunnen hebben en niet zo vroeg in de geschiedenis van het universum nieuwe sterren vormen.

Met een groot onderzoek als COSMOS-Webb, het team zal veel van deze zeldzame sterrenstelsels vinden. Ze plannen gedetailleerde studies van deze sterrenstelsels om te begrijpen hoe ze zo snel hebben kunnen evolueren en de stervorming zo vroeg hebben uitgeschakeld.

Doel 3:Leren hoe donkere materie evolueerde met de stellaire inhoud van sterrenstelsels

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

Sterrenstelsels bestaan ​​uit twee soorten materie:normaal, lichtgevende materie die we in sterren en andere objecten zien, en onzichtbare donkere materie, die vaak massiever is dan de melkweg en deze kan omringen in een uitgebreide halo. Die twee soorten materie zijn met elkaar verweven in de vorming en evolutie van sterrenstelsels. Echter, momenteel is er niet veel kennis over hoe de massa van donkere materie in de halo's van sterrenstelsels is gevormd, en hoe die donkere materie de vorming van de sterrenstelsels beïnvloedt.

COSMOS-Webb zal licht werpen op dit proces door wetenschappers in staat te stellen deze halo's van donkere materie rechtstreeks te meten door middel van "zwakke lensing". De zwaartekracht van elk type massa - of het nu donker of lichtgevend is - kan dienen als een lens om het licht dat we zien van verder weg gelegen sterrenstelsels te "buigen". Zwakke lensing vervormt de schijnbare vorm van achtergrondstelsels, dus wanneer een halo zich voor andere sterrenstelsels bevindt, wetenschappers kunnen de massa van de donkere materie van de halo direct meten.

"Voor de eerste keer, zullen we de relatie tussen de massa van donkere materie en de lichtgevende massa van sterrenstelsels kunnen meten tot in de eerste 2 miljard jaar kosmische tijd, " zei teamlid Anton Koekemoer, een onderzoeksastronoom aan het Space Telescope Science Institute in Baltimore, die hielp bij het ontwerpen van de observatiestrategie van het programma en die verantwoordelijk is voor het construeren van alle afbeeldingen uit het programma. "Dat is een cruciaal tijdperk voor ons om te proberen te begrijpen hoe de massa van de sterrenstelsels voor het eerst werd geplaatst, en hoe dat wordt aangedreven door de halo's van donkere materie. En dat kan dan indirect bijdragen aan ons begrip van de vorming van sterrenstelsels."

Snel gegevens delen met de community

COSMOS-Webb is een Treasury-programma, die per definitie is ontworpen om datasets van blijvende wetenschappelijke waarde te creëren. Treasury-programma's streven ernaar om meerdere wetenschappelijke problemen op te lossen met een enkele, coherente dataset. Gegevens die in het kader van een Treasury-programma zijn genomen, hebben meestal geen exclusieve toegangsperiode, onmiddellijke analyse door andere onderzoekers mogelijk maken.

"Als een Treasury-programma, u verbindt zich ertoe uw gegevens en uw gegevensproducten snel vrij te geven aan de gemeenschap, " legde Kartaltepe uit. "We gaan dit gemeenschapshulpmiddel produceren en openbaar maken, zodat de rest van de gemeenschap het kan gebruiken in hun wetenschappelijke analyses."

Koekemoer heeft toegevoegd, "Een Treasury-programma verbindt zich ertoe al deze wetenschappelijke producten openbaar beschikbaar te maken, zodat iedereen in de gemeenschap, zelfs bij zeer kleine instellingen, kan hetzelfde hebben gelijke toegang tot de dataproducten en doe dan gewoon de wetenschap."

COSMOS-Webb is een Cyclus 1 General Observers-programma. General Observers-programma's werden competitief geselecteerd met behulp van een dubbel-anoniem beoordelingssysteem, hetzelfde systeem dat wordt gebruikt om tijd op Hubble toe te wijzen.

De James Webb Space Telescope wordt 's werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium wanneer hij in 2021 wordt gelanceerd. Webb zal mysteries in ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren, en onderzoek de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum 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.