Astronomi e ingegneri hanno progettato telescopi, in parte, essere "viaggiatori del tempo". Più un oggetto è lontano, più tempo impiega la sua luce per raggiungere la Terra. Sbirciare indietro nel tempo è uno dei motivi per cui l'imminente James Webb Space Telescope della NASA è specializzato nella raccolta di luce infrarossa:queste lunghezze d'onda più lunghe, che furono inizialmente emesse da stelle e galassie come luce ultravioletta più di 13 miliardi di anni fa, si sono allungati, o spostato verso il rosso, nella luce infrarossa mentre viaggiavano verso di noi attraverso l'universo in espansione.

Sebbene molti altri osservatori, compreso il telescopio spaziale Hubble della NASA, hanno precedentemente creato "campi profondi" fissando piccole aree del cielo per periodi significativi di tempo, il sondaggio Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), guidato da Steven L. Finkelstein dell'Università del Texas ad Austin, sarà il primo per Webb. Lui e il suo team di ricerca trascorreranno poco più di 60 ore puntando il telescopio su una fetta di cielo nota come Extended Groth Strip, che è stato osservato come parte del Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey o CANDELS.

"Con Webb, vogliamo fare la prima ricognizione per le galassie ancora più vicine al big bang, " Ha detto Finkelstein. "Non è assolutamente possibile fare questa ricerca con nessun altro telescopio. Webb è in grado di fare cose straordinarie a lunghezze d'onda che sono state difficili da osservare in passato, a terra o nello spazio."

Mark Dickinson del National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory della National Science Foundation in Arizona, e uno dei co-investigatori dell'indagine CEERS, fa un cenno a Hubble mentre attende anche con impazienza le osservazioni di Webb. "Sondaggi come l'Hubble Deep Field ci hanno permesso di mappare la storia della formazione stellare cosmica nelle galassie entro mezzo miliardo di anni dal big bang fino al presente con dettagli sorprendenti, " ha detto. "Con CEERS, Webb guarderà ancora più lontano per aggiungere nuovi dati a quei sondaggi".

Consegnare l'invisibile

Com'era l'universo primordiale? Ci sono sicuramente molti punti dati, ma non abbastanza per fare un censimento esaustivo delle sue condizioni. Più, le conoscenze e le ipotesi dei ricercatori vengono aggiornate frequentemente, ogni volta che viene rilasciata una nuova esposizione profonda. "Ogni volta che guardiamo più lontano, troviamo le galassie sempre prima di quanto ritenessimo possibile. Le condizioni nell'universo primordiale dovevano essere giuste perché le galassie si formassero, e si sono formate e sono diventate massicce molto rapidamente, ", ha affermato il co-investigatore del CEERS Survey Jeyhan Kartaltepe del Rochester Institute of Technology di New York.

"L'universo era più compatto in questo momento, il che significa che stelle e galassie si sarebbero potute formare con una maggiore efficienza, " ha aggiunto Finkelstein. "Alcuni modelli prevedono che troveremo 50 galassie in ere precedenti più distanti di quanto Hubble possa raggiungere, ma altri prevedono che ne troveremo solo alcuni. In entrambi i casi, i dati ci aiuteranno a limitare la formazione delle galassie nell'universo primordiale".

Il team del CEERS Survey spera di identificare un'abbondanza di oggetti distanti, comprese le galassie più lontane dell'universo, prime fusioni e interazioni di galassie, i primi buchi neri massicci o supermassicci, e anche quasar precedenti rispetto a quelli precedentemente identificati. Questi potenziali "primati" sono solo l'inizio del valore di questa ricerca:il team, che è composta da oltre 100 ricercatori provenienti da tutto il mondo, andrà a classificare molti oggetti nel campo. "Questi dati aiuteranno a dimostrare com'era la struttura dell'universo in vari periodi, " ha spiegato Finkelstein.

Premendo "Riavvolgi"

Forse l'elemento più interessante di questa ricerca è il modo in cui il team utilizzerà i dati per scoprire nuove scoperte su un importante periodo della storia dell'universo chiamato "Era della Reionizzazione". Il big bang ha dato il via a una serie di eventi, portando al fondo cosmico a microonde, i secoli bui, le prime stelle e galassie, e poi all'era della reionizzazione. Durante questo periodo, il gas nell'universo trasformato da per lo più neutro, il che significa che era opaco alla luce ultravioletta, ed è diventato completamente ionizzato, che gli ha permesso di essere trasparente. Ionizzazione significa che gli atomi sono stati privati ​​dei loro elettroni, portando infine alle condizioni "chiare" rilevate in gran parte dell'universo oggi.

Rimangono molte domande su questo periodo unico nel nostro universo. Per esempio, cosa era responsabile della conversione del gas da neutro a ionizzato? E quanto tempo ci è voluto prima che l'universo diventasse significativamente meno opaco e molto più trasparente?

"Pensiamo che sia successo quando la luce ultravioletta è scappata giovane, formare galassie, " Dickinson ha spiegato. "Ci possono essere altri fattori. Per esempio, I buchi neri ad accrescimento precoce potrebbero anche aver emesso luce ultravioletta che alla fine ha contribuito a trasformare il gas".

Il punto in cui appaiono le galassie nel cielo offre un altro indizio. "Esamineremo le galassie dell'era della reionizzazione per vedere se sono raggruppate insieme nelle stesse regioni o se sono più isolate, " ha detto Kartaltepe. "Abbiamo molte idee su ciò che fa crescere e diventare più massicce le galassie, ma abbiamo bisogno di informazioni più complete su queste galassie per comprendere appieno come sono inizialmente cresciute ed evolute".

La presenza di fusioni o interazioni galattiche, o la loro mancanza, aiuterà anche il team a tracciare le condizioni dell'ambiente durante l'Era della Reionizzazione. "Il sondaggio CEERS ci darà indicazioni su come è proseguito questo periodo, " Aggiunge Dickinson. "Impareremo sicuramente a conoscere le galassie che pensiamo siano responsabili, e spero anche di conoscere le radiazioni ionizzanti che sono sfuggite loro".

Il team ha progettato l'indagine CEERS per fornire quanti più dati complementari possibili per molti obiettivi in ​​questo campo visivo. Utilizzeranno tre degli strumenti di Webb, in più modalità, per ottenere immagini dell'Extended Groth Strip, oltre agli spettri. Gli spettri sono dati preziosi poiché aiutano i ricercatori a identificare i colori, temperature, movimenti, e le masse di ciascun bersaglio, e forniscono uno sguardo molto più approfondito sulla composizione chimica di oggetti distanti.

"Questa è la differenza con lo spettrografo nel vicino infrarosso di Webb, o NIRSpec, " ha sottolineato Dickinson. "Apriremo le fessure del microotturatore dello spettrografo per osservare individualmente centinaia di galassie per ottenere i loro spettri per la prima volta".

Iniziare a costruire un censimento

Nei mesi successivi alla prima pubblicazione dei dati, i ricercatori del CEERS Survey creeranno e pubblicheranno nuovi strumenti e cataloghi che qualsiasi ricercatore può utilizzare per analizzare i dati, comprese le masse di galassie, forme di galassie, e redshift fotometrici. "Con la stessa serie di osservazioni, centinaia di ricercatori possono condurre centinaia di esperimenti scientifici, " ha detto Kartaltepe. " Troveremo anche cose che non abbiamo nemmeno pensato di chiedere, che è un motivo in più per cui la ricerca del sondaggio CEERS sarà così gratificante. La nostra speranza è che il sondaggio CEERS influenzerà i futuri sondaggi di galassie lontane con Webb, " Ha aggiunto Finkelstein. "Dimostrerà anche alla comunità che osservare con una varietà di strumenti e modalità sono modi molto validi per aumentare la resa scientifica di Webb".