Gli scienziati utilizzeranno il James Webb Space Telescope della NASA per studiare sezioni del cielo precedentemente osservate dai Grandi Osservatori della NASA, tra cui il telescopio spaziale Hubble e il telescopio spaziale Spitzer, per comprendere la creazione delle prime galassie e stelle dell'universo.

Dopo che è stato lanciato ed è stato completamente messo in servizio, gli scienziati hanno in programma di focalizzare il telescopio Webb su sezioni dell'Hubble Ultra-Deep Field (HUDF) e del Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS). Queste sezioni di cielo sono tra le liste di Webb di bersagli scelti dagli osservatori a tempo garantito, scienziati che hanno contribuito a sviluppare il telescopio e quindi ad essere tra i primi ad usarlo per osservare l'universo. Il gruppo di scienziati utilizzerà principalmente lo strumento a medio infrarosso di Webb (MIRI) per esaminare una sezione di HUDF, e la telecamera a infrarossi vicini di Webb (NIRCam) per riprendere parte di GOODS.

"Mescolando [i dati di] questi strumenti, otterremo informazioni sull'attuale tasso di formazione stellare, ma avremo anche informazioni sulla storia della formazione stellare, " ha spiegato Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen, un astronomo presso il Danish Space Research Institute in Danimarca e il ricercatore principale per le osservazioni proposte.

Pablo Pérez-González, un professore di astrofisica presso l'Università Complutense di Madrid in Spagna e uno dei numerosi co-investigatori sull'osservazione proposta da Nørgaard-Nielsen, ha detto che useranno Webb per osservare circa il 40 percento dell'area HUDF con MIRI, più o meno nella stessa posizione in cui i telescopi terrestri come l'Atacama Large Millimeter Array (ALMA) e il Very Large Telescope array (VLT) hanno ottenuto dati di campo ultra-profondo.

L'iconica immagine HUDF mostra circa 10, 000 galassie in una minuscola sezione di cielo, equivalente alla quantità di cielo che vedresti ad occhio nudo se lo guardassi attraverso una cannuccia di soda. Molte di queste galassie sono molto deboli, più di 1 miliardo di volte più debole di quello che può vedere l'occhio umano nudo, contrassegnandoli come alcune delle galassie più antiche all'interno dell'universo visibile.

Con i suoi potenti strumenti spettrografici, Webb vedrà molti più dettagli di quelli che l'imaging da solo può fornire. La spettroscopia misura lo spettro della luce, che gli scienziati analizzano per determinare le proprietà fisiche di ciò che viene osservato, compresa la temperatura, messa, e composizione chimica. Pérez-González ha spiegato che questo consentirà agli scienziati di studiare come i gas si sono trasformati in stelle nelle prime galassie, e per comprendere meglio le prime fasi della formazione dei buchi neri supermassicci, compreso il modo in cui quei buchi neri influenzano la formazione della loro galassia natale. Gli astronomi ritengono che il centro di quasi tutte le galassie contenga un buco nero supermassiccio, e che questi buchi neri sono legati alla formazione galattica.

MIRI può osservare nella gamma di lunghezze d'onda infrarosse da 5 a 28 micron. Pérez-González ha affermato che utilizzerà lo strumento per osservare una sezione di HUDF in 5,6 micron, di cui Spitzer è capace, ma che Webb sarà in grado di vedere gli oggetti 250 volte più deboli e con una risoluzione spaziale otto volte maggiore. In questo caso, la risoluzione spaziale è la capacità di un telescopio ottico, come Webb, per vedere i più piccoli dettagli di un oggetto.

Pérez-González ha detto che nell'area dell'HUDF osserveranno, Hubble è stato in grado di vedere circa 4, 000 galassie. Ha aggiunto che, con Webb, "rileveranno circa 2, 000 a 2, 500 galassie, ma in una banda spettrale completamente diversa, così tante galassie saranno molto diverse da quelle rilevate da [Hubble]".

Con NIRCam, il team osserverà un pezzo della regione GOODS vicino alla sezione selezionata di HUDF. L'intero campo di indagine GOODS include osservazioni di Hubble, Spitzer, e molti altri osservatori spaziali.

"Queste immagini NIRCam saranno prese in tre bande, e saranno i più profondi ottenuti da qualsiasi squadra di osservazione a tempo garantito, " ha spiegato Pérez-González.

NIRCam può osservare nella gamma di lunghezze d'onda infrarosse da 0,6 a 5 micron. Pérez-González ha spiegato che lo useranno per osservare una sezione di MERCI nella banda di 1,15 micron, di cui Hubble è capace, ma che Webb sarà in grado di vedere gli oggetti 50 volte più deboli e con una risoluzione spaziale due volte maggiore. Lo useranno anche per osservare le bande da 2,8 e 3,6 micron. Spitzer è in grado di fare anche questo, ma Webb sarà in grado di osservare oggetti quasi 100 volte più deboli e con una risoluzione spaziale otto volte maggiore.

Perché l'universo si sta espandendo, la luce proveniente da oggetti distanti nell'universo è "spostata verso il rosso, " significa che la luce emessa da quegli oggetti è visibile nelle lunghezze d'onda più rosse nel momento in cui ci raggiunge. Gli oggetti più lontani da noi, quelli con il redshift più alto, hanno la loro luce spostata nella parte del vicino e medio infrarosso dello spettro elettromagnetico. Il telescopio Webb è specificamente progettato per osservare gli oggetti in quell'area dello spettro, che lo rende ideale per guardare l'universo primordiale.

"Quando costruisci un osservatorio con capacità senza precedenti, molto probabilmente i risultati più interessanti non saranno quelli che puoi aspettarti o prevedere, ma quelli che nessuno può immaginare, " disse Pérez-González.