Cuando el telescopio espacial James Webb de la NASA comience sus operaciones científicas en 2022, una de sus primeras tareas será un programa ambicioso para mapear las primeras estructuras del universo.
Llamado COSMOS-Webb, este estudio amplio y profundo de medio millón de galaxias es el proyecto más grande que Webb emprenderá durante su primer año.
El levantamiento COSMOS-Webb mapeará 0,6 grados cuadrados del cielo, aproximadamente el área de tres lunas llenas, utilizando el instrumento de cámara infrarroja cercana (NIRCam) del telescopio espacial James Webb, mientras que simultáneamente mapeará 0,2 grados cuadrados más pequeños con el instrumento de infrarrojo medio ( MIRI). Los bordes irregulares del contorno del campo de Hubble se deben a las imágenes separadas que componen el campo de la encuesta. Créditos: Jeyhan Kartaltepe (RIT); Caitlin Casey (UT Austin); y Anton Koekemoer (STScI) Crédito de diseño gráfico: Alyssa Pagan (STScI)
Con más de 200 horas de tiempo de observación, COSMOS-Webb inspeccionará una gran parte del cielo (0,6 grados cuadrados) con la cámara de infrarrojo cercano ( NIRCam ). Ese es el tamaño de tres lunas llenas. Simultáneamente, mapeará un área más pequeña con el Instrumento de infrarrojos medios ( MIRI ).
Es un gran trozo de cielo, que es bastante exclusivo del programa COSMOS-Webb. La mayoría de los programas de Webb están perforando muy profundamente, como sondeos con rayos de lápiz que estudian pequeñas parcelas de cielo ”, explicó Caitlin Casey, profesora asistente de la Universidad de Texas en Austin y co-líder del programa COSMOS-Webb. “Debido a que cubrimos un área tan grande, podemos observar estructuras a gran escala en los albores de la formación de galaxias. También buscaremos algunas de las galaxias más raras que existieron desde el principio, así como mapear la distribución de materia oscura a gran escala de las galaxias hasta tiempos muy tempranos “.
(La materia oscura no absorbe, refleja ni emite luz, por lo que no se puede ver directamente. Sabemos que la materia oscura existe debido al efecto que tiene en los objetos que podemos observar).
COSMOS-Webb estudiará medio millón de galaxias con imágenes en el infrarrojo cercano de alta resolución y multibanda , y 32.000 galaxias sin precedentes en el infrarrojo medio . Con su rápida publicación pública de los datos, esta encuesta será un conjunto de datos heredado principal de Webb para los científicos de todo el mundo que estudian galaxias más allá de la Vía Láctea.
Aprovechando los logros de Hubble
La encuesta COSMOS comenzó en 2002 como un programa del Hubble para obtener imágenes de un parche de cielo mucho más grande, aproximadamente del área de 10 lunas llenas. A partir de ahí, la colaboración se amplió para incluir la mayoría de los principales telescopios del mundo en la Tierra y en el espacio. Ahora COSMOS es una encuesta de múltiples longitudes de onda que cubre todo el espectro desde los rayos X a través de la radio.
Este mar de galaxias es el campo COSMOS original y completo de la Cámara Avanzada para Sondeos (ACS) del Telescopio Espacial Hubble. El mosaico completo es una composición de 575 imágenes ACS separadas, donde cada imagen ACS tiene aproximadamente una décima parte del diámetro de la Luna llena. Los bordes irregulares del contorno se deben a las imágenes separadas que componen el campo de la encuesta. Créditos: Anton Koekemoer (STScI) y Nick Scoville (Caltech)
Debido a su ubicación en el cielo, el campo COSMOS es accesible a observatorios de todo el mundo. Ubicado en el ecuador celeste , se puede estudiar tanto desde el hemisferio norte como desde el sur, lo que da como resultado un tesoro de datos rico y diverso.
“COSMOS se ha convertido en la encuesta a la que acuden muchos científicos extragalácticos para realizar sus análisis porque los productos de datos están muy disponibles y porque cubre un área tan amplia del cielo”, dijo Jeyhan Kartaltepe del Instituto de Tecnología de Rochester. profesor asistente de física y codirector del programa COSMOS-Webb. “COSMOS-Webb es la próxima entrega de eso, donde usamos Webb para extender nuestra cobertura en la parte del infrarrojo cercano y medio del espectro y, por lo tanto, ampliar nuestro horizonte, qué tan lejos podemos ver . “
El ambicioso programa COSMOS-Webb se basará en descubrimientos anteriores para lograr avances en tres áreas de estudio particulares, que incluyen: revolucionar nuestra comprensión de la era de la reionización; buscando galaxias tempranas completamente evolucionadas; y aprender cómo evolucionó la materia oscura con el contenido estelar de las galaxias.
Objetivo 1: Revolucionar nuestra comprensión de la era de la reionización
Poco después del Big Bang, el universo estaba completamente oscuro. Las estrellas y galaxias, que bañan el cosmos de luz, aún no se habían formado. En cambio, el universo consistía en una sopa primordial de átomos neutros de hidrógeno y helio y materia oscura invisible. A esto se le llama la edad oscura cósmica.
Después de varios cientos de millones de años, surgieron las primeras estrellas y galaxias que proporcionaron energía para reionizar el universo primitivo. Esta energía desgarró los átomos de hidrógeno que llenaban el universo, dándoles una carga eléctrica y poniendo fin a las edades oscuras cósmicas. Esta nueva era en la que el universo se inundó de luz se llama la Era de la Reionización .
El primer objetivo de COSMOS-Webb se centra en esta época de reionización, que tuvo lugar entre 400.000 y 1.000 millones de años después del Big Bang. La reionización probablemente ocurrió en pequeños “bolsillos”, no todos a la vez. COSMOS-Webb buscará burbujas que muestren dónde se reionizaron los primeros focos del universo temprano. El equipo tiene como objetivo mapear la escala de estas burbujas de reionización.
“Hubble ha hecho un gran trabajo al encontrar un puñado de estas galaxias hasta los primeros tiempos, pero necesitamos miles de galaxias más para comprender el proceso de reionización”, explicó Casey.
Los científicos ni siquiera saben qué tipo de galaxias marcaron el comienzo de la Era de la Reionización, si son sistemas muy masivos o de masa relativamente baja. COSMOS-Webb tendrá una capacidad única para encontrar galaxias raras y muy masivas y ver cómo es su distribución en estructuras a gran escala. Entonces, ¿las galaxias responsables de la reionización viven en el equivalente a una metrópoli cósmica, o están distribuidas en su mayoría de manera uniforme en el espacio? Solo una encuesta del tamaño de COSMOS-Webb puede ayudar a los científicos a responder a esta pregunta.
Objetivo 2: Buscar galaxias tempranas completamente evolucionadas
COSMOS-Webb buscará galaxias muy tempranas y completamente evolucionadas que detuvieron el nacimiento de estrellas en los primeros 2000 millones de años después del Big Bang. Hubble ha encontrado un puñado de estas galaxias, que desafían los modelos existentes sobre cómo se formó el universo. Los científicos luchan por explicar cómo estas galaxias podrían tener estrellas viejas y no estar formando estrellas nuevas tan temprano en la historia del universo.
Con una gran encuesta como COSMOS-Webb, el equipo encontrará muchas de estas raras galaxias. Planean estudios detallados de estas galaxias para comprender cómo pudieron haber evolucionado tan rápidamente y haber desactivado la formación de estrellas tan pronto.
Objetivo 3: aprender cómo evolucionó la materia oscura con el contenido estelar de las galaxias
COSMOS-Webb dará a los científicos una idea de cómo ha evolucionado la materia oscura en las galaxias con el contenido estelar de las galaxias durante la vida del universo.
Las galaxias están formadas por dos tipos de materia: materia luminosa normal que vemos en las estrellas y otros objetos, y materia oscura invisible, que a menudo es más masiva que la galaxia y puede rodearla en un halo extendido. Esos dos tipos de materia están entrelazados en la formación y evolución de las galaxias. Sin embargo, actualmente no hay mucho conocimiento sobre cómo se formó la masa de materia oscura en los halos de las galaxias y cómo esa materia oscura impacta la formación de las galaxias.
COSMOS-Webb arrojará luz sobre este proceso al permitir a los científicos medir directamente estos halos de materia oscura a través de “lentes débiles”. La gravedad de cualquier tipo de masa, ya sea oscura o luminosa, puede servir como una lente para “doblar” la luz que vemos de galaxias más distantes. Las lentes débiles distorsionan la forma aparente de las galaxias de fondo, por lo que cuando un halo se encuentra frente a otras galaxias, los científicos pueden medir directamente la masa de la materia oscura del halo.
“Por primera vez, podremos medir la relación entre la masa de materia oscura y la masa luminosa de las galaxias hasta los primeros 2 mil millones de años del tiempo cósmico”, dijo el miembro del equipo Anton Koekemoer, un astrónomo investigador del Space Telescope Science Institute en Baltimore, quien ayudó a diseñar la estrategia de observación del programa y está a cargo de construir todas las imágenes del programa. “Esa es una época crucial para que intentemos comprender cómo se colocó por primera vez la masa de las galaxias y cómo es impulsada por los halos de materia oscura. Y eso puede alimentar indirectamente nuestra comprensión de la formación de galaxias “.
Compartir datos rápidamente con la comunidad
COSMOS-Webb es un programa de “tesorería”, que por definición está diseñado para crear conjuntos de datos de valor científico duradero. Estos programas de investigación se esfuerzan por resolver múltiples problemas científicos con un único conjunto de datos coherente. Los datos tomados bajo un Programa de “Tesorería” generalmente no tienen un período de acceso exclusivo, lo que permite un análisis inmediato por parte de otros investigadores.
“Como Programa de “Tesorería”, se compromete a entregar rápidamente sus datos y sus productos de datos a la comunidad”, explicó Kartaltepe. “Vamos a producir este recurso comunitario y lo pondremos a disposición del público para que el resto de la comunidad pueda usarlo en sus análisis científicos”.
COSMOS-Webb es un programa de Observadores Generales del Ciclo 1 . Los programas de Observadores Generales se seleccionaron de manera competitiva utilizando un sistema de revisión anónimo dual, el mismo sistema que se usa para asignar tiempo en Hubble.
El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en eso. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
Fuente: NASA.
