De vroegste structuren van het heelal in kaart brengen met COSMOS-Webb.

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

Het COSMOS-Webb-onderzoek zal 0,6 vierkante graden van de hemel in kaart brengen - ongeveer het gebied van drie volle manen, terwijl tegelijkertijd een kleinere 0,2 vierkante graden in kaart wordt gebracht met het Mid Infrared Instrument (MIRI).

Het COSMOS-Webb-onderzoek zal 0,6 vierkante graden van de hemel in kaart brengen – ongeveer het gebied van drie volle manen – met behulp van het James Webb Space Telescope’s Near Infrared Camera (NIRCam)-instrument, terwijl tegelijkertijd een kleinere 0,2 vierkante graden in kaart wordt gebracht met het Mid Infrared Instrument ( MIR). De gekartelde randen van de omtrek van het Hubble-veld zijn te wijten aan de afzonderlijke afbeeldingen waaruit het onderzoeksveld bestaat.Credits: Jeyhan Kartaltepe (RIT); Caitlin Casey (UT Austin); en Anton Koekemoer (STScI) Grafisch ontwerp Credit: Alyssa Pagan (STScI)

Met meer dan 200 uur observatietijd zal COSMOS-Webb een groot stuk van de lucht – 0,6 vierkante graden – met de Near-Infrared Camera ( NIRCam ) onderzoeken. 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 heel diep, net als surveys met potloodstralen die kleine stukjes lucht bestuderen”, legt Caitlin Casey uit, een assistent-professor aan de Universiteit van Texas in Austin en medeleider van het COSMOS-Webb-programma. “Omdat we Omdat ze zo’n groot gebied beslaan, kunnen we naar grootschalige structuren kijken aan het begin van de vorming van sterrenstelsels. We zullen ook op zoek gaan naar enkele van de zeldzaamste sterrenstelsels die al vroeg bestonden, en de grootschalige verspreiding van donkere materie van sterrenstelsels tot in de zeer vroege tijden in kaart brengen.”

(Donkere materie absorbeert, reflecteert of straalt geen licht uit, dus het kan niet direct worden gezien. We weten dat donkere materie bestaat vanwege het effect dat het heeft op objecten die we kunnen waarnemen.)

COSMOS-Webb zal een half miljoen sterrenstelsels bestuderen met multi-band, hoge resolutie, nabij-infrarood beeldvorming , en een ongekende 32.000 sterrenstelsels in het midden-infrarood . Met de snelle openbare publicatie van de gegevens, zal dit onderzoek 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 hemel af te beelden, ongeveer 10 volle manen. Van daaruit groeide de samenwerking 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.

Deze zee van sterrenstelsels is het complete, originele COSMOS-veld van de Advanced Camera for Surveys (ACS) van de Hubble Space Telescope.

Deze zee van sterrenstelsels is het complete, originele COSMOS-veld van de Advanced Camera for Surveys (ACS) van de Hubble Space Telescope. Het volledige mozaïek is een samenstelling van 575 afzonderlijke ACS-beelden, waarbij elk ACS-beeld ongeveer een tiende van de diameter van de volle maan heeft. De gekartelde randen van de omtrek zijn te wijten aan de afzonderlijke afbeeldingen waaruit het onderzoeksveld bestaat.Credits: Anton Koekemoer (STScI) en Nick Scoville (Caltech)

Grafische weergave van het tijdperk van reïonisatie van het universum.

Meer dan 13 miljard jaar geleden, tijdens het tijdperk van reïonisatie, was het universum een ​​heel andere plaats. Het gas tussen sterrenstelsels was grotendeels ondoorzichtig voor energetisch licht, waardoor het moeilijk was om jonge sterrenstelsels waar te nemen. Wat zorgde ervoor dat het universum volledig geïoniseerd of transparant werd, wat uiteindelijk leidde tot de “heldere” omstandigheden die tegenwoordig in een groot deel van het universum worden gedetecteerd? De James Webb-ruimtetelescoop zal diep in de ruimte turen om meer informatie te verzamelen over objecten die bestonden tijdens het tijdperk van reionisatie om ons te helpen deze belangrijke overgang in de geschiedenis van het universum te begrijpen.Credits: NASA, ESA, Joyce Kang (STScI)

Vanwege de ligging aan de hemel is het COSMOS-veld toegankelijk voor observatoria over de hele wereld. Gelegen op de hemelevenaar , kan het worden bestudeerd vanaf zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond, wat resulteert 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”, zegt 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, waarbij we Webb gebruiken om onze dekking in het nabije en midden-infrarode deel van het spectrum uit te breiden, en daarom onze horizon te verleggen, hoe ver we kunnen zien .”    

Het ambitieuze COSMOS-Webb-programma zal voortbouwen op eerdere ontdekkingen om vooruitgang te boeken in drie specifieke studiegebieden, waaronder: een revolutie in ons begrip van het reïonisatietijdperk; op zoek naar vroege, 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 was het heelal helemaal donker. Sterren en sterrenstelsels, die de kosmos in licht baden, waren nog niet gevormd. In plaats daarvan bestond het universum uit een oersoep van neutrale waterstof- en heliumatomen en onzichtbare donkere materie. Dit wordt de kosmische donkere middeleeuwen genoemd. 

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

Het eerste doel van COSMOS-Webb richt zich op dit tijdperk van reïonisatie, dat plaatsvond van 400.000 tot 1 miljard jaar na de oerknal. Reïonisatie gebeurde waarschijnlijk in kleine zakken, niet allemaal tegelijk. 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 tot in de vroege tijden een handvol van deze sterrenstelsels te vinden, maar we hebben nog duizenden andere sterrenstelsels nodig om het reïonisatieproces te begrijpen”, legt Casey uit.

Wetenschappers weten niet eens wat voor soort sterrenstelsels het reionisatietijdperk hebben ingeluid, of het nu zeer massieve of relatief lage massasystemen zijn. COSMOS-Webb zal een uniek vermogen hebben om zeer massieve, zeldzame sterrenstelsels te vinden en te zien hoe hun distributie eruit ziet in grootschalige structuren. Dus, zijn de sterrenstelsels die verantwoordelijk zijn voor reïonisatie 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: Zoeken naar vroege, volledig geëvolueerde sterrenstelsels 

COSMOS-Webb zal zoeken naar zeer vroege, volledig geëvolueerde sterrenstelsels die de geboorte van sterren in de eerste 2 miljard jaar na de oerknal hebben stilgelegd. Hubble heeft een handvol van deze sterrenstelsels gevonden, die bestaande modellen over de vorming van het heelal uitdagen. 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 zal het team 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 sterreninhoud 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: normale, lichtgevende materie die we in sterren en andere objecten zien, en onzichtbare donkere materie, die vaak massiever is dan de melkweg en deze in een uitgestrekte halo kan omringen. Die twee soorten materie zijn met elkaar verweven in de vorming en evolutie van sterrenstelsels. Op dit moment is er echter 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, kunnen wetenschappers de massa van de donkere materie van de halo direct meten.

“Voor het eerst kunnen we de relatie tussen de massa van donkere materie en de lichtgevende massa van sterrenstelsels meten tot in de eerste 2 miljard jaar kosmische tijd”, zegt teamlid Anton Koekemoer, een onderzoeksastronoom bij de Space. Telescope Science Institute in Baltimore, die heeft geholpen bij het ontwerpen van de observatiestrategie van het programma en 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 op zijn plaats werd gezet, 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, dat 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 één coherente dataset. Gegevens die in het kader van een Treasury-programma zijn genomen, hebben meestal geen exclusieve toegangsperiode, waardoor directe analyse door andere onderzoekers mogelijk is.

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

Koekemoer voegde toe: “Een Treasury-programma verbindt zich ertoe al deze wetenschappelijke producten openbaar beschikbaar te maken, zodat iedereen in de gemeenschap, zelfs bij zeer kleine instellingen, dezelfde, gelijke toegang tot de dataproducten kan hebben en vervolgens gewoon de wetenschap kan doen.”

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 het in 2021 wordt gelanceerd. Webb zal mysteries in ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren en de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats onderzoeken in het. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met haar partners, ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.

Ga voor meer informatie over Webb naar www.nasa.gov/webb

Geef een reactie

Scroll naar top
%d bloggers liken dit: