Картиране на елементарните структури на Вселената и разпределението на тъмната материя с помощта на COSMOS-Webb

Тази амбициозна програма ще изучава половин милион галактики в поле с размер на три пълни луни.

Гледайки дълбоко в огромно парче небе с размер на три пълни луни, НАСА‘с Космическият телескоп Джеймс Уеб Амбициозна програма за изучаване на половин милион галактики. Проучването, наречено COSMOS-Webb, е най-големият проект, който Webb ще предприеме през първата си година. С повече от 200 часа време за наблюдение, той ще надгражда предишни открития, за да постигне напредък в три конкретни области на изследване. Те включват революция в разбирането ни за ерата на реионизация; търсенето на ранните напълно развити галактики; И научете как са се развили тъмната материя и звездното съдържание на галактиките. С бързото публично публикуване на данни, това проучване ще бъде основен набор от наследствени данни на Webb за учени по целия свят, които изучават галактики отвъд млечен път.

Това море от галактики е оригиналното поле COSMOS, завършено от усъвършенстваната камера за изследване на космическия телескоп Хъбъл (ACS). Пълната мозайка е съставен от 575 отделни ACS изображения, като всяко ACS изображение е приблизително една десета от диаметъра на пълнолунието. Назъбените ръбове на контура се дължат на отделните изображения, които съставят полето за изследване. Кредит: Антон Кокемоер (STScI) и Ник Сковил (Калтех)

Когато космическият телескоп Джеймс Уеб на НАСА започне научни операции през 2022 г., една от първите му мисии ще бъде амбициозна програма за картографиране на най -старите структури във Вселената. Наречен COSMOS-Webb, това широко и задълбочено проучване на половин милион галактики е най-големият проект, който Уеб ще предприеме през първата си година.

С повече от 200 часа време за наблюдение, COSMOS -Webb ще сканира голяма част от небето – 0,6 квадратни градуса – с помощта на своята близо инфрачервена камера (NIRCam). Това е размерът на три пълни луни. В същото време ще картографирате по-малка площ със средно-инфрачервения инструмент (MIRI).

Преди повече от 13 милиарда години, по време на ерата на реионизация, Вселената беше съвсем различно място. Междугалактическият газ беше твърде непрозрачен за енергийна светлина, което затрудняваше наблюдението на младите галактики. Какво позволи на Вселената да стане напълно йонизирана или прозрачна, което в крайна сметка доведе до „очевидните“ условия, открити в по -голямата част от Вселената днес? Космическият телескоп Джеймс Уеб ще се задълбочи в космоса, за да събере повече информация за неща, съществували по време на ерата на рейонизация, за да ни помогне да разберем тази голяма промяна в историята на Вселената. Кредит: НАСА, ESA и J.Kang (STScI)

Това е голямо небесно пространство и е много уникално за COSMOS-Webb. Повечето програми на Webb копаят много дълбоко, като сканиране с молив, изучаващо малки части от небето, обясни Кейтлин Кейси, доцент в Тексаския университет в Остин и съ-ръководител на програмата COSMOS-Webb. „Тъй като обхващаме голяма площ, можем да разгледаме мащабни структури в зората на образуването на галактики. Ще търсим и някои от най-редките ранни галактики, както и ще картографираме мащабното разпределение на тъмната материя за галактиките до много ранни времена. „

(Тъмната материя не поглъща, не отразява или излъчва светлина, така че не може да се види директно. Знаем, че тъмната материя съществува поради ефекта си върху нещата, които можем да наблюдаваме.)

COSMOS-Webb ще изучава половин милион галактики със своите многолентови изображения с висока разделителна способност, близка до инфрачервената връзка и безпрецедентни 32 000 в средната инфрачервена връзка. С бързото публично публикуване на данни, това проучване ще бъде основен набор от наследствени данни на Webb за учени от цял ​​свят, изучаващи галактики извън Млечния път.

Въз основа на постиженията на Хъбъл

Проучването COSMOS започна през 2002 г. като програма на Хъбъл за изобразяване на много по -голяма част от небето, около площта от 10 пълни луни. Оттам сътрудничеството се удвои, за да включи повечето от най -големите телескопи в света на Земята и в космоса. Сега COSMOS е сканиране с много вълни, което обхваща целия спектър от рентгенови лъчи чрез радио.

Поради позицията си в небето, полето COSMOS е достъпно за обсерватории по целия свят. Той се намира на небесния екватор и може да бъде изследван както от северното, така и от южното полукълбо, което води до богата и разнообразна съкровищница с данни.

„COSMOS се превърна в изследване, на което много извънгалактически учени отиват за своите анализи, тъй като продуктите с данни са толкова широко достъпни и защото обхващат широка област от небето“, каза Джейхан Карталтепе от Рочестърския технологичен институт, асистент по физика и съ-ръководител на програмата COSMOS. „COSMOS-Webb е следващата част от това, където използваме Webb, за да разширим покритието си в близкия и средния инфрачервен участък от спектъра, като по този начин по-далеч от хоризонта ни, докъде можем да видим.“

Амбициозната програма COSMOS-Webb ще надгражда предишни открития, за да напредне в три специфични области на изследване, включително: революция в разбирането ни за ерата на рейонизация; търсенето на ранните напълно развити галактики; И научете как са се развили тъмната материя и звездното съдържание на галактиките.

Цел 1: Да революционизира нашето разбиране за ерата на рейонизация

Скоро след Големия взрив вселената беше напълно тъмна. Звездите и галактиките, които окъпват Вселената в светлина, все още не са се образували. Вместо това Вселената се състоеше от първична супа от неутрални водородни и хелиеви атоми и невидима тъмна материя. Това се нарича космически тъмни векове.

Няколко стотин милиона години по-късно се появяват първите звезди и галактики, които осигуряват енергия за повторно йонизиране на ранната Вселена. Тази енергия натроши водородните атоми, които изпълниха Вселената, придавайки й електрически заряд и прекратявайки космическите тъмни векове. Тази нова ера, в която Вселената беше залята със светлина, се нарича епоха на реионизация.

Първата цел на COSMOS-Webb се фокусира върху тази епоха на реионизация, настъпила 400 000 до 1 милиард години след Големия взрив. Реонизацията вероятно ще се случи в малки джобове, не всички наведнъж. COSMOS-Webb ще търси мехурчета, които показват къде са се осъществили първите джобове на ранната вселена. Екипът има за цел да картографира размера на тези мехурчета за реионизация.

„Хъбъл свърши чудесна работа, като намери шепа от тези галактики до ранна възраст, но имаме нужда от още хиляди галактики, за да разберем процеса на реионизация“, обясни Кейси.

Учените дори не знаят какви галактики са довели до ерата на реионизация, независимо дали са били много масивни или относително нискомасови системи. COSMOS-Webb ще има уникалната способност да открива масивни и изключително редки галактики и да научи как те са разпределени в мащабни структури. И така, дали галактиките са отговорни за реионизацията, живеещи в еквивалент на космически град, или са предимно равномерно разпределени в космоса? Само проучване с размер COSMOS-Webb може да помогне на учените да отговорят на този въпрос.

Цел 2: Търсене на напълно еволюирали галактики

COSMOS-Webb ще търси много ранни, напълно развити галактики, които са спрели раждането на звезди през първите 2 милиарда години след Големия взрив. Хъбъл е открил шепа от тези галактики, които оспорват съществуващите модели за това как се е образувала Вселената. Учените се борят да обяснят как тези галактики могат да съдържат стари звезди и да не образуват нови звезди толкова рано в историята на Вселената.

Чрез голямо проучване като COSMOS-Webb, екипът ще открие много от тези редки галактики. Те планират подробни проучвания на тези галактики, за да разберат как те биха могли да се развият толкова бързо и да спрат образуването на звезди толкова рано.

Цел 3: Научете как еволюирала тъмната материя, използвайки звездното съдържание на галактиките

COSMOS-Webb ще даде на учените представа как еволюирала тъмната материя в галактиките със звездното съдържание на галактиките през целия живот на Вселената.

Галактиките са изградени от два вида материя: обикновена и светеща материя, която виждаме в звездите и други неща, и невидима тъмна материя, която често е по -масивна от галактика и може да я обгради в продължителен ореол. Тези два вида материя се преплитат при формирането и еволюцията на галактиките. В момента обаче няма много знания за това как масата на тъмната материя се образува в ореолите на галактиките и как тази тъмна материя влияе върху образуването на галактики.

COSMOS-Webb ще подчертае този процес, като позволи на учените да измерват ореолите на тъмната материя директно през „слаба леща“. Гравитацията на всякакъв вид маса – независимо дали е тъмна или светеща – може да действа като леща за „огъване“ на светлината, която виждаме от далечни галактики. Слабостта на лещата изкривява видимата форма на фоновите галактики, така че когато ореолът лежи пред други галактики, учените могат директно да измерват масата на тъмната материя в ореола.

каза членът на екипа Антон Куикмор, изследователски астроном в Научния институт за космически телескопи в Балтимор, който помогна за разработването на стратегията за наблюдение на програмата и отговаря за създаването на всички изображения от програмата. „Това е критична епоха за нас, за да се опитаме да разберем как масата на галактиките е била заложена за първи път и как е била преместена от ореоли от тъмна материя. И това може косвено да подхрани нашето разбиране за образуването на галактиките.“

Бързо споделяйте данни с общността

COSMOS-Webb е финансов софтуер, който по дефиниция е създаден да създава набори от данни с трайна научна стойност. Казначейските програми се стремят да решават много научни проблеми, използвайки единен, съгласуван набор от данни. Данните, взети по програмата за хазна, обикновено нямат изключителен период за достъп, позволяващ незабавен анализ от други изследователи.

„Като съкровищна програма вие се ангажирате с бързото пускане на вашите данни и продукти с данни на общността“, обясни Карталтепе. „Ние ще произвеждаме този ресурс на общността и ще го направим публично достъпен, така че останалата част от общността да може да го използва в своите научни анализи.“

Koekemoer добави: „Програмата за финансите се ангажира да направи всички тези научни продукти публично достъпни, така че всеки в общността, дори много малки организации, да може да има същия равен достъп до продукти за данни и след това просто да направи науката.“

COSMOS-Webb е програма за общи наблюдатели от първия цикъл. Програмите за общи наблюдатели бяха избрани на конкурс, използвайки анонимна система за двойно преразглеждане, същата система, използвана за разпределяне на време на Хъбъл.

Космическият телескоп Джеймс Уеб ще бъде водещата световна космическа научна обсерватория, когато бъде пуснат на пазара през 2021 г. Уеб ще разреши мистериите на нашата Слънчева система, ще погледне отвъд далечните светове около други звезди и ще изследва мистериозните структури и произхода на Вселената и нашето място в него. Webb е международна програма, ръководена от НАСА със своите партньори ESA (Европейска космическа агенция) и Канадската космическа агенция.