Quando il James Webb Space Telescope della NASA inizia le operazioni scientifiche nel 2022, uno dei suoi primi compiti sarà un ambizioso programma per mappare le prime strutture dell'universo. Chiamato COSMOS-Webb, questa vasta e profonda indagine di mezzo milione di galassie è il più grande progetto che Webb intraprenderà durante il suo primo anno.

Con più di 200 ore di osservazione, COSMOS-Webb rileverà un'ampia porzione di cielo—0.6 gradi quadrati—con la Near-Infrared Camera (NIRCam). Questa è la dimensione di tre lune piene. Mapperà simultaneamente un'area più piccola con il Mid-Infrared Instrument (MIRI).

"È un grande pezzo di cielo, che è piuttosto unico per il programma COSMOS-Webb. La maggior parte dei programmi Webb sta perforando molto in profondità, come rilievi a raggio di matita che studiano minuscole porzioni di cielo, " ha spiegato Caitlin Casey, un assistente professore presso l'Università del Texas ad Austin e co-leader del programma COSMOS-Webb. "Poiché stiamo coprendo un'area così ampia, possiamo osservare strutture su larga scala agli albori della formazione delle galassie. Cercheremo anche alcune delle galassie più rare che esistevano all'inizio, oltre a mappare la distribuzione della materia oscura su larga scala delle galassie fino a tempi molto antichi".

(La materia oscura non assorbe, riflettere, o emettere luce, quindi non può essere visto direttamente. Sappiamo che la materia oscura esiste a causa dell'effetto che ha sugli oggetti che possiamo osservare.)

COSMOS-Webb studierà mezzo milione di galassie con multibanda, alta risoluzione, immagini nel vicino infrarosso, e un inedito 32, 000 galassie nel medio infrarosso. Con il suo rapido rilascio pubblico dei dati, questo sondaggio sarà un set di dati legacy primario di Webb per gli scienziati di tutto il mondo che studiano le galassie oltre la Via Lattea.

Basandosi sui risultati di Hubble

L'indagine COSMOS è iniziata nel 2002 come programma Hubble per l'immagine di un pezzo di cielo molto più grande, circa l'area di 10 lune piene. Da li, la collaborazione è aumentata fino a includere la maggior parte dei principali telescopi del mondo sulla Terra e nello spazio. Ora COSMOS è un'indagine multi-lunghezza d'onda che copre l'intero spettro dai raggi X attraverso la radio.

A causa della sua posizione nel cielo, il campo COSMOS è accessibile agli osservatori di tutto il mondo. Situato sull'equatore celeste, può essere studiato sia dall'emisfero settentrionale che da quello meridionale, risultando in una tesoreria ricca e diversificata di dati.

"COSMOS è diventato il sondaggio a cui si rivolgono molti scienziati extragalattici per condurre le loro analisi perché i dati prodotti sono così ampiamente disponibili, e poiché copre un'area così ampia del cielo, ", ha affermato Jeyhan Kartaltepe del Rochester Institute of Technology, assistente professore di fisica e co-leader del programma COSMOS-Webb. "COSMOS-Webb è la prossima puntata di questo, dove utilizziamo Webb per estendere la nostra copertura nella parte del vicino e medio infrarosso dello spettro, e quindi spingendo il nostro orizzonte, quanto lontano siamo in grado di vedere."

L'ambizioso COSMOS-Webb si baserà su scoperte precedenti per fare progressi in tre particolari aree di studio, tra cui:rivoluzionare la nostra comprensione dell'era della reionizzazione; cercando presto, galassie completamente evolute; e imparare come la materia oscura si è evoluta con il contenuto stellare delle galassie.

Obiettivo 1:Rivoluzionare la nostra comprensione dell'era della reionizzazione

Subito dopo il big bang, l'universo era completamente buio. Stelle e galassie, che inondano di luce il cosmo, non si era ancora formato. Anziché, l'universo consisteva in un brodo primordiale di idrogeno neutro, atomi di elio e materia oscura invisibile. Questa è chiamata l'età oscura cosmica.

Dopo diverse centinaia di milioni di anni, le prime stelle e galassie emersero e fornirono energia per reionizzare l'universo primordiale. Questa energia ha fatto a pezzi gli atomi di idrogeno che riempivano l'universo, dando loro una carica elettrica e ponendo fine alle ere oscure cosmiche. Questa nuova era in cui l'universo è stato inondato di luce è chiamata l'era della reionizzazione.

Il primo obiettivo di COSMOS-Webb si concentra su questa epoca di reionizzazione, che ha avuto luogo dal 400, Da 000 a 1 miliardo di anni dopo il big bang. La reionizzazione probabilmente è avvenuta in piccole tasche, non tutto in una volta. COSMOS-Webb cercherà le bolle che mostrano dove sono state reionizzate le prime sacche dell'universo primordiale. Il team mira a mappare la scala di queste bolle di reionizzazione.

"Hubble ha fatto un ottimo lavoro nel trovare manciate di queste galassie fin dai primi tempi, ma abbiamo bisogno di altre migliaia di galassie per capire il processo di reionizzazione, " ha spiegato Casey.

Gli scienziati non sanno nemmeno che tipo di galassie ha inaugurato l'era della reionizzazione, se sono sistemi molto massicci o di massa relativamente bassa. COSMOS-Webb avrà una capacità unica di trovare molto massicci, galassie rare e vedere com'è la loro distribuzione in strutture su larga scala. Così, sono le galassie responsabili della reionizzazione che vivono nell'equivalente di una metropoli cosmica, o sono per lo più distribuiti uniformemente nello spazio? Solo un sondaggio delle dimensioni di COSMOS-Webb può aiutare gli scienziati a rispondere a questa domanda.

Obiettivo 2:cercare presto, galassie completamente evolute

COSMOS-Webb cercherà molto presto, galassie completamente evolute che interrompono la nascita delle stelle nei primi 2 miliardi di anni dopo il big bang. Hubble ha trovato una manciata di queste galassie, che sfidano i modelli esistenti su come si è formato l'universo. Gli scienziati faticano a spiegare come queste galassie possano avere stelle vecchie e non formare nuove stelle così presto nella storia dell'universo.

Con un ampio sondaggio come COSMOS-Webb, il team troverà molte di queste rare galassie. Progettano studi dettagliati su queste galassie per capire come hanno potuto evolversi così rapidamente e spegnere la formazione stellare così presto.

Obiettivo 3:Imparare come la materia oscura si è evoluta con il contenuto stellare delle galassie

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

Le galassie sono costituite da due tipi di materia:normale, materia luminosa che vediamo nelle stelle e in altri oggetti, e invisibile materia oscura, che è spesso più massiccio della galassia e può circondarlo in un alone esteso. Questi due tipi di materia sono intrecciati nella formazione e nell'evoluzione delle galassie. Però, attualmente non c'è molta conoscenza su come si sia formata la massa di materia oscura negli aloni delle galassie, e come quella materia oscura influisca sulla formazione delle galassie.

COSMOS-Webb farà luce su questo processo consentendo agli scienziati di misurare direttamente questi aloni di materia oscura attraverso "lenti deboli". La gravità di qualsiasi tipo di massa, scura o luminosa, può fungere da lente per "piegare" la luce che vediamo dalle galassie più lontane. La lente debole distorce la forma apparente delle galassie sullo sfondo, quindi quando un alone si trova di fronte ad altre galassie, gli scienziati possono misurare direttamente la massa della materia oscura dell'alone.

"Per la prima volta, saremo in grado di misurare la relazione tra la massa della materia oscura e la massa luminosa delle galassie fino ai primi 2 miliardi di anni del tempo cosmico, " ha detto il membro del team Anton Koekemoer, un astronomo ricercatore presso lo Space Telescope Science Institute di Baltimora, che ha aiutato a progettare la strategia di osservazione del programma ed è responsabile della costruzione di tutte le immagini del programma. "Questa è un'epoca cruciale per noi per cercare di capire come è stata messa a posto la massa delle galassie, e come questo sia guidato dagli aloni della materia oscura. E questo può quindi alimentare indirettamente la nostra comprensione della formazione delle galassie".

Condivisione rapida dei dati con la community

COSMOS-Webb è un programma del Tesoro, che per definizione è progettato per creare set di dati di valore scientifico duraturo. I programmi di tesoreria si sforzano di risolvere più problemi scientifici con un unico, set di dati coerente. I dati raccolti nell'ambito di un programma di tesoreria di solito non hanno un periodo di accesso esclusivo, consentendo un'analisi immediata da parte di altri ricercatori.

"Come programma di tesoreria, ti stai impegnando a rilasciare rapidamente i tuoi dati e i tuoi prodotti dati alla comunità, " ha spiegato Kartaltepe. "Produrremo questa risorsa della comunità e la renderemo pubblicamente disponibile in modo che il resto della comunità possa utilizzarla nelle sue analisi scientifiche".

Koekemoer ha aggiunto, "Un programma di tesoreria si impegna a rendere pubblicamente disponibili tutti questi prodotti scientifici in modo che chiunque nella comunità, anche in istituzioni molto piccole, può avere lo stesso, pari accesso ai prodotti di dati e poi basta fare la scienza".

COSMOS-Webb è un programma di osservatori generali del ciclo 1. I programmi degli osservatori generali sono stati selezionati in modo competitivo utilizzando un sistema di revisione doppio anonimo, lo stesso sistema che viene utilizzato per allocare il tempo su Hubble.

Il James Webb Space Telescope sarà il principale osservatorio di scienze spaziali al mondo quando verrà lanciato nel 2021. Webb risolverà i misteri nel nostro sistema solare, guarda oltre a mondi lontani intorno ad altre stelle, e sondare le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto in esso. Webb è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner, ESA (Agenzia Spaziale Europea) e Agenzia Spaziale Canadese.