Tientallen jaren hebben telescopen ons geholpen om licht te vangen van sterrenstelsels die zich al 400 miljoen jaar na de oerknal hebben gevormd - ongelooflijk vroeg in de context van de 13,8 miljard jaar oude geschiedenis van het universum. Maar wat waren zulke sterrenstelsels die zelfs eerder bestonden, toen het universum semi-transparant was aan het begin van een periode die bekend staat als het tijdperk van reïonisatie? NASA's volgende vlaggenschip-observatorium, de James Webb Space Telescope, staat klaar om nieuwe rijkdommen aan onze schat aan kennis toe te voegen, niet alleen door beelden vast te leggen van sterrenstelsels die al in de eerste paar honderd miljoen jaar na de oerknal bestonden, maar ook door ons gedetailleerde gegevens bekend als spectra. Met de waarnemingen van Webb kunnen onderzoekers ons voor het eerst vertellen over de samenstelling en samenstelling van individuele sterrenstelsels in het vroege heelal.

De Next Generation Deep Extragalactic Exploratory Public (NGDEEP) Survey, mede geleid door Steven L. Finkelstein, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Texas in Austin, zal zich richten op dezelfde twee regio's die deel uitmaken van het Hubble Ultra Deep Field-locaties in de constellatie Fornax waar Hubble meer dan 11 dagen doorbracht met het maken van diepe belichtingen. Om zijn waarnemingen te produceren, richtte de Hubble-ruimtetelescoop zich gelijktijdig op nabijgelegen gebieden van de hemel met twee instrumenten - enigszins verschoven van elkaar - bekend als een primair en een parallel veld. "We hebben hetzelfde voordeel met Webb," legde Finkelstein uit. "We gebruiken twee wetenschappelijke instrumenten tegelijk en ze zullen continu observeren." Ze zullen Webb's Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) op het primaire Hubble Ultra Deep Field richten, en Webb's Near-Infrared Camera (NIRCam) op het parallelle veld, waardoor ze twee keer zoveel waar voor hun geld krijgen aan telescooptijd.

Voor de beeldvorming met NIRCam zullen ze meer dan 125 uur observeren. Met elke minuut die verstrijkt, halen ze steeds meer informatie uit dieper en dieper in het universum. Wat zoeken ze? Enkele van de vroegste sterrenstelsels die zich hebben gevormd. "We hebben echt goede aanwijzingen van Hubble dat er sterrenstelsels zijn op een tijdstip 400 miljoen jaar na de oerknal", zei Finkelstein. "Degene die we met Hubble zien, zijn behoorlijk groot en zeer helder. Het is zeer waarschijnlijk dat er kleinere, zwakkere sterrenstelsels zijn die zich zelfs eerder hebben gevormd en die wachten om gevonden te worden."

Dit programma zal slechts ongeveer een derde van de tijd gebruiken die Hubble tot nu toe aan soortgelijke onderzoeken heeft besteed. Waarom? Voor een deel komt dit doordat de instrumenten van Webb zijn ontworpen om infrarood licht op te vangen. Terwijl licht door de ruimte naar ons toe reist, strekt het zich uit tot langere, rodere golflengten als gevolg van de uitdijing van het universum. "Webb zal ons helpen alle grenzen te verleggen", zegt Jennifer Lotz, medeonderzoeker van het voorstel en directeur van het Gemini Observatory, onderdeel van het NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) van de National Science Foundation. "En we gaan de gegevens onmiddellijk vrijgeven waar alle onderzoekers baat bij hebben."

Deze onderzoekers zullen zich ook richten op het identificeren van het metaalgehalte in elk sterrenstelsel, vooral in kleinere en zwakkere sterrenstelsels die nog niet grondig zijn onderzocht, met name met de spectra die Webb's NIRISS-instrument levert. "Een van de fundamentele manieren waarop we evolutie in de kosmische tijd volgen, is door de hoeveelheid metalen die zich in een melkwegstelsel bevindt", legt Danielle Berg uit, een assistent-professor aan de Universiteit van Texas in Austin en een mede-onderzoeker van het voorstel. Toen het heelal begon, waren er alleen waterstof en helium. Nieuwe elementen werden gevormd door opeenvolgende generaties sterren. Door de inhoud van elk sterrenstelsel te catalogiseren, kunnen de onderzoekers precies uitzetten wanneer verschillende elementen bestonden en modellen bijwerken die projecteren hoe sterrenstelsels zich in het vroege heelal hebben ontwikkeld.

Nieuwe lagen verwijderen

Een ander programma, geleid door Michael Maseda, een assistent-professor aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, zal het primaire Hubble Ultra Deep Field onderzoeken met behulp van de microshutter-array binnen Webb's Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Dit instrument geeft spectra terug voor specifieke objecten, afhankelijk van welke miniatuurluiken onderzoekers openen. "Deze sterrenstelsels bestonden tijdens de eerste miljard jaar in de geschiedenis van het universum, waarover we tot nu toe heel weinig informatie hebben", legt Maseda uit. "Webb zal de eerste grote steekproef leveren die ons de kans geeft om ze in detail te begrijpen."

We weten dat deze sterrenstelsels bestaan ​​dankzij de uitgebreide waarnemingen die dit team heeft gedaan - samen met een internationaal onderzoeksteam - met het instrument Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) van de Very Large Telescope op de grond. Hoewel MUSE de 'verkenner' is, die kleinere, zwakkere sterrenstelsels in dit diepe veld identificeert, zal Webb de eerste telescoop zijn die hun chemische samenstelling volledig zal karakteriseren.

Deze extreem verre sterrenstelsels hebben belangrijke implicaties voor ons begrip van hoe sterrenstelsels zich in het vroege heelal hebben gevormd. "Webb zal een nieuwe ruimte voor ontdekking openen", legt Anna Feltre uit, een onderzoeker aan het Nationaal Instituut voor Astrofysica in Italië en een mede-onderzoeker. "De gegevens zullen ons helpen te leren wat er precies gebeurt als een melkwegstelsel zich vormt, inclusief welke metalen ze bevatten, hoe snel ze groeien en of ze al zwarte gaten hebben."

Dit onderzoek zal worden uitgevoerd als onderdeel van Webb's General Observer (GO) -programma's, die competitief worden geselecteerd met behulp van een dubbel-anonieme beoordeling, hetzelfde systeem dat wordt gebruikt om tijd toe te wijzen aan de Hubble-ruimtetelescoop. + Verder verkennen

Webb-telescoop's eerste full colour, wetenschappelijke beelden komen in juli