Mappatura dell’infrastruttura dell’universo e della distribuzione della materia oscura utilizzando COSMOS-Webb

Quando il James Webb Space Telescope della NASA iniziò le sue operazioni scientifiche nel 2022, una delle sue prime missioni era un programma ambizioso per mappare le strutture più antiche dell’universo. Soprannominato COSMOS-Webb, questo sondaggio completo e approfondito di mezzo milione di galassie è il più grande progetto che Webb intraprenderà durante il suo primo anno.

Con oltre 200 ore di osservazione, COSMOS-Webb eseguirà la scansione di un’ampia area del cielo – 0,6 gradi quadrati – utilizzando la sua Near Infrared Camera (NIRCam). Questa è la dimensione di tre lune piene. Allo stesso tempo mapperai un’area più piccola usando lo strumento a medio infrarosso (MIRI).

Oltre 13 miliardi di anni fa, durante l’era della reionizzazione, l’universo era un posto completamente diverso. Il gas intergalattico è troppo opaco per la luce attiva, rendendo difficile l’osservazione delle giovani galassie. Cosa ha permesso all’universo di diventare completamente ionizzato, o trasparente, che alla fine ha portato alle condizioni “ovvie” che vengono rilevate nella maggior parte dell’universo oggi? Il James Webb Space Telescope scaverà in profondità nello spazio per raccogliere più informazioni sulle cose che esistevano durante l’era della reionizzazione per aiutarci a capire questo profondo cambiamento nella storia dell’universo. Fonte: NASA, ESA e Jie Kang (STScI).

Questa è una vasta distesa di cielo, che è davvero unica per COSMOS-Webb. Caitlin Casey, professore all’Università del Texas ad Austin e co-leader del programma COSMOS-Webb, spiega che la maggior parte dei programmi Webb scava molto in profondità, come la scansione a raggi di penna che studia piccole regioni del cielo. “Poiché copriamo una vasta area, possiamo vedere strutture su larga scala nelle prime fasi della formazione delle galassie. Cercheremo anche alcune delle prime galassie più rare, oltre a mappare la distribuzione della materia oscura nelle galassie su larga scala. Molto presto.”

(La materia oscura non assorbe, riflette o emette luce, quindi non può essere vista direttamente. Sappiamo che la materia oscura esiste a causa della sua influenza su ciò che possiamo osservare.)

COSMOS-Webb studierà mezzo milione di galassie con le sue immagini nel vicino infrarosso multibanda, ad alta risoluzione e 32.000 senza precedenti nel medio infrarosso. Con il rapido rilascio di dati pubblici, questo sondaggio diventerà un importante set di dati Webb Legacy per gli scienziati di tutto il mondo che studiano le galassie al di fuori della Via Lattea.

Realizzazioni di Hubble Building

L’indagine COSMOS è iniziata nel 2002 come programma di Hubble per l’immagine di un’area del cielo molto più ampia, intorno a una regione di 10 lune piene. Da lì, la collaborazione è raddoppiata per includere la maggior parte dei principali telescopi del mondo sulla Terra e nello spazio. Ora COSMOS è una scansione a più lunghezze d’onda che copre l’intero spettro dei raggi X via radio.

Grazie alla sua posizione nel cielo, il campo COSMOS è accessibile agli osservatori di tutto il mondo. Si trova all’equatore celeste e può essere studiato sia dall’emisfero settentrionale che da quello meridionale, risultando in un archivio di dati ricco e diversificato.

ha affermato Jihan Kartaltepe del Rochester Institute of Technology, assistente professore di fisica e co-leader del programma COSMOS.Web. “COSMOS-Webb è la prossima puntata, poiché utilizziamo Webb per estendere la nostra copertura nella porzione del vicino e medio infrarosso dello spettro, così lontano dal nostro orizzonte, per quanto possiamo vedere”.

L’ambizioso programma COSMOS-Webb si baserà sulle scoperte precedenti per far avanzare tre aree di studio specifiche, tra cui: rivoluzionare la nostra comprensione dell’era della reionizzazione; La ricerca di una galassia completamente sviluppata; Scopri come la materia oscura e il contenuto stellare si sono evoluti nelle galassie.

Obiettivo 1: rivoluzionare la nostra comprensione dell’era della reionizzazione

Subito dopo il Big Bang, l’universo è diventato completamente buio. Le stelle e le galassie, che riempiono di luce l’universo, non si sono ancora formate. Invece, l’universo è costituito da un brodo primordiale di atomi neutri di idrogeno ed elio e materia oscura invisibile. Questa è chiamata l’età oscura cosmica.

Diverse centinaia di milioni di anni dopo, apparvero le prime stelle e galassie che fornirono l’energia per riionizzare l’universo primordiale. Questa energia ha fatto a pezzi gli atomi di idrogeno che riempivano l’universo, dandogli una carica elettrica e ponendo fine alle ere oscure cosmiche. La nuova era in cui l’universo è inondato di luce è chiamata l’era della reionizzazione.

Il primo obiettivo di COSMOS-Webb si è concentrato su questa epoca di reionizzazione, avvenuta da 400.000 a 1 miliardo di anni dopo il Big Bang. La reionizzazione molto probabilmente si verifica in piccole tasche, non tutte in una volta. COSMOS-Webb cercherà bolle che mostrano dove sono ionizzate le prime sacche dell’universo primordiale. Il team mira a quantificare la dimensione di queste bolle di reionizzazione.

“Hubble ha fatto un ottimo lavoro nel trovare alcune di queste galassie così giovani, ma abbiamo bisogno di altre migliaia di galassie per comprendere il processo di reionizzazione”, spiega Casey.

Gli scienziati non sanno nemmeno che tipo di galassie abbia causato l’era della reionizzazione, se si trattasse di sistemi estremamente massicci o di masse relativamente basse. COSMOS-Webb avrà la capacità unica di trovare galassie molto grandi e rare e studiare come sono distribuite in strutture su larga scala. Le galassie di reionizzazione che vivono nelle città cosmiche sono equivalenti o sono per lo più distribuite uniformemente nello spazio? Solo un sondaggio delle dimensioni di COSMOS-Webb può aiutare gli scienziati a rispondere a questa domanda.

Obiettivo 2: Cerca una galassia completamente sviluppata

COSMOS-Webb cercherà galassie molto precoci e completamente evolute che hanno interrotto la nascita delle stelle nei primi 2 miliardi di anni dopo il Big Bang. Hubble ha scoperto molte di queste galassie, che sfidano i modelli attuali di come si è formato l’universo. Gli scienziati faticano a spiegare come queste galassie possano contenere vecchie stelle e non formare nuove stelle all’inizio della storia dell’universo.

Attraverso ampi sondaggi come COSMOS-Webb, il team scoprirà molte di queste rare galassie. Stanno pianificando uno studio dettagliato di queste galassie per capire come possono evolversi così rapidamente e fermare la formazione stellare il prima possibile.

Obiettivo 3: studiare come si evolve la materia oscura utilizzando il contenuto delle stelle nelle galassie

COSMOS-Webb fornirà agli scienziati informazioni su come la materia oscura nelle galassie si è evoluta con il contenuto delle stelle galattiche nel corso della vita dell’universo.

Le galassie sono costituite da due tipi di materia: la materia ordinaria e la materia luminosa che vediamo nelle stelle e in altre cose, e la materia oscura invisibile, che spesso è più massiccia delle galassie e può essere circondata da lunghi aloni. Questi due tipi di materia sono correlati nella formazione e nell’evoluzione delle galassie. Tuttavia, in questo momento, si sa poco su come si formino grumi di materia oscura negli aloni galattici e su come questa materia oscura influenzi la formazione delle galassie.

COSMOS-Webb farà luce su questo processo consentendo agli scienziati di misurare gli aloni di materia oscura direttamente attraverso una “lente debole”. La gravità di qualsiasi tipo di massa, che sia scura o luminosa, può agire come una lente per “piegare” la luce che vediamo dalle galassie lontane. La debolezza della lente distorce la forma apparente dello sfondo della galassia, in modo che quando l’alone si trova di fronte a un’altra galassia, gli scienziati possono misurare direttamente la massa di materia oscura nell’alone.

ha affermato il membro del team Anton Quikmore, astronomo ricercatore presso lo Space Telescope Science Institute di Baltimora, che ha contribuito a progettare la strategia di osservazione del programma ed è stato responsabile della creazione di tutte le immagini del programma. “Questa è un’epoca critica per noi per cercare di capire come viene prima disposta la massa delle galassie e come questa viene spinta da aloni di materia oscura. E questo potrebbe indirettamente alimentare la nostra comprensione della formazione delle galassie”.

Condividi rapidamente i dati con la community

COSMOS-Webb è un software vault, progettato per definizione per creare set di dati durevoli e scientificamente preziosi. Il software di tesoreria tenta di risolvere molti problemi scientifici utilizzando un set di dati coerente. I dati ottenuti nell’ambito del programma del Tesoro di solito non hanno un periodo di accesso esclusivo, consentendo l’analisi diretta da parte di altri ricercatori.

“Come programma Vault, ti impegni a rilasciare rapidamente i tuoi dati e prodotti di dati alla comunità”, spiega Kartaltepe. “Produrremo questa risorsa della comunità e la renderemo pubblicamente disponibile in modo che altre comunità possano utilizzarla per le loro analisi scientifiche”.

Koekemoer aggiunge: “Il programma del Tesoro si impegna a rendere pubblicamente disponibili tutti questi prodotti scientifici in modo che chiunque nella società, anche organizzazioni molto piccole, possa avere uguale accesso ai prodotti di dati e quindi fare scienza”.

COSMOS-Webb è un programma per osservatori generali del primo ciclo. Il programma General Observer è stato selezionato in modo competitivo utilizzando un sistema di revisione multipla anonima, lo stesso sistema utilizzato per l’allocazione del tempo di Hubble.

Il James Webb Space Telescope diventerà il principale osservatorio di scienze spaziali al mondo quando sarà lanciato nel 2021. Webb risolverà i misteri del nostro sistema solare, guarderà oltre mondi lontani intorno ad altre stelle ed esplorerà la misteriosa struttura, l’origine dell’universo e il nostro esistenza. Mettere. Dentro. Webb è un programma internazionale guidato dalla NASA con i partner ESA (European Space Agency) e Canadian Space Agency.