Mapeo de las estructuras elementales del universo y la distribución de la materia oscura usando COSMOS-Webb

El estudio COSMOS-Webb mapeará 0,6 grados cuadrados del cielo, aproximadamente el área de tres lunas llenas, utilizando el instrumento de la cámara infrarroja cercana (NIRCam) del telescopio espacial James Webb, mientras mapea 0,2 grados cuadrados más pequeños al mismo tiempo con el Instrumento de infrarrojos Rojo medio (Miri). Los bordes irregulares del diagrama de campo de Hubble se deben a las imágenes separadas que componen el campo de escaneo. Crédito: Jeyhan Kartaltepe (RIT); Caitlin Casey (Utah, Austin); Anton Kwiquimore (STScI) Crédito de diseño gráfico: Alyssa Pagan (STScI)

Este ambicioso programa estudiará medio millón de galaxias en un campo del tamaño de tres lunas llenas.

Mirando profundamente a un enorme trozo de cielo del tamaño de tres lunas llenas, NASA‘s Telescopio espacial James Webb Un ambicioso programa para estudiar medio millón de galaxias. La encuesta, llamada COSMOS-Webb, es el proyecto más grande que Webb emprenderá durante su primer año. Con más de 200 horas de tiempo de observación, se basará en descubrimientos anteriores para lograr avances en tres áreas de estudio particulares. Estos incluyen revolucionar nuestra comprensión de la era de la reionización; búsqueda de galaxias desarrolladas temprano; Y aprenda cómo han evolucionado la materia oscura y el contenido estelar de las galaxias. Con la rápida publicación pública de datos, esta encuesta será un conjunto de datos heredados de Webb esencial para los científicos de todo el mundo que estudian galaxias más allá. vía Láctea.

Campo cosmos

Este mar de galaxias es el campo COSMOS original completo de la Cámara Avanzada para Sondeos (ACS) del Telescopio Espacial Hubble. El mosaico completo es una composición de 575 imágenes ACS separadas, con cada imagen ACS 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. Crédito: Anton Koekemoer (STScI) y Nick Scoville (Caltech)

Cuando el telescopio espacial James Webb de la NASA comience sus operaciones científicas en 2022, una de sus primeras misiones será un ambicioso programa para mapear las estructuras más antiguas del universo. Apodado COSMOS-Webb, este estudio amplio y profundo de medio millón de galaxias es el proyecto más grande que Webb emprenderá durante su primer año.

Con más de 200 horas de tiempo de observación, COSMOS-Webb escaneará una gran franja del cielo (0,6 grados cuadrados) utilizando su cámara de infrarrojo cercano (NIRCam). Este es el tamaño de tres lunas llenas. Al mismo tiempo, estará mapeando un área más pequeña con el Instrumento de infrarrojos medios (MIRI).

Infografía de reionización cósmica

Hace más de 13 mil millones de años, durante la era de la reionización, el universo era un lugar completamente diferente. El gas intergaláctico era demasiado opaco para la luz energética, lo que dificultaba la observación de las galaxias jóvenes. ¿Qué permitió que el universo se volviera completamente ionizado o transparente, lo que eventualmente condujo a las condiciones “obvias” detectadas en la mayor parte del universo actual? El telescopio espacial James Webb profundizará en el espacio para recopilar más información sobre cosas que existieron durante la era de la reionización para ayudarnos a comprender este cambio importante en la historia del universo. Crédito: NASA, ESA y J.Kang (STScI)

Es una gran extensión de cielo y es muy exclusivo de COSMOS-Webb. La mayoría de los programas de Webb cavan muy profundamente, como escaneos con un rayo de lápiz que estudian pequeños parches de cielo, explicó Caitlin Casey, profesora asociada de la Universidad de Texas en Austin y co-líder del programa COSMOS-Webb. “Debido a que cubrimos un área grande, podemos observar las estructuras a gran escala en los albores de la formación de las galaxias. También buscaremos algunas de las galaxias tempranas más raras, así como mapear la distribución de materia oscura a gran escala de las galaxias. hasta tiempos muy tempranos “.

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(La materia oscura no absorbe, refleja ni emite luz, por lo que no se puede ver directamente. Sabemos que la materia oscura existe debido a su efecto sobre las cosas que podemos observar).

COSMOS-Webb estudiará medio millón de galaxias con sus imágenes en el infrarrojo cercano de alta resolución y multibanda, y 32.000 sin precedentes en el infrarrojo medio. Con la rápida divulgación pública de datos, esta encuesta será un conjunto de datos heredados de Webb esencial para los científicos de todo el mundo que estudian galaxias fuera de la Vía Láctea.

Aprovechando los logros de Hubble

El estudio COSMOS comenzó en 2002 como el programa de Hubble para obtener imágenes de una franja mucho más grande del cielo, alrededor del área de 10 lunas llenas. A partir de ahí, la colaboración se duplicó para incluir la mayoría de los principales telescopios del mundo en la Tierra y en el espacio. Ahora COSMOS es un escaneo de múltiples longitudes de onda que cubre el espectro completo de rayos X por radio.

Debido a su posición en el cielo, el campo COSMOS es accesible a observatorios de todo el mundo. Se encuentra en el ecuador celeste y 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 sus análisis porque los productos de datos están ampliamente disponibles y porque cubren una amplia área del cielo”, dijo Jeyhan Kartaltepe del Instituto de Tecnología de Rochester. profesor asistente de física y codirector del programa COSMOS Web. “COSMOS-Webb es la próxima entrega de eso, donde usamos Webb para extender nuestra cobertura en la porción del infrarrojo cercano y medio del espectro, por lo tanto, más lejos de nuestro horizonte, qué tan lejos podemos ver”.

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El ambicioso programa COSMOS-Webb se basará en descubrimientos anteriores para avanzar en tres áreas específicas de estudio, que incluyen: revolucionar nuestra comprensión de la era de la reionización; búsqueda de galaxias desarrolladas temprano; Y aprenda cómo han evolucionado la materia oscura y 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 universo 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.

Varios cientos de millones de años después, aparecieron las primeras estrellas y galaxias que proporcionaron la energía para reionizar el universo primitivo. Esta energía destrozó los átomos de hidrógeno que llenaban el universo, dándole 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 se produjo entre 400.000 y 1.000 millones de años después del Big Bang. Es probable que la reionización ocurra en pequeños focos, 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 el tamaño de estas burbujas de reionización.

“Hubble ha hecho un gran trabajo encontrando un puñado de estas galaxias hasta edades tempranas, pero necesitamos miles de galaxias más para comprender el proceso de reionización”, explicó Casey.

Los científicos ni siquiera saben qué tipo de galaxias condujeron a la era de la reionización, si eran sistemas muy masivos o de masa relativamente baja. COSMOS-Webb tendrá la capacidad única de encontrar galaxias masivas y extremadamente raras y aprender cómo se distribuyen en estructuras a gran escala. Entonces, ¿las galaxias responsables de la reionización viven en el equivalente a una ciudad 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 esta pregunta.

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Objetivo 2: Búsqueda de galaxias completamente evolucionadas.

COSMOS-Webb buscará galaxias muy tempranas y completamente desarrolladas 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 de cómo se formó el universo. Los científicos luchan por explicar cómo estas galaxias podrían contener estrellas viejas y no formar estrellas nuevas tan temprano en la historia del universo.

A través de una gran encuesta como COSMOS-Webb, el equipo encontrará muchas de estas raras galaxias. Están planeando estudios detallados de estas galaxias para comprender cómo pudieron evolucionar tan rápido y detener la formación de estrellas tan pronto.

Objetivo 3: aprender cómo ha evolucionado la materia oscura utilizando 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 ordinaria y luminosa que vemos en las estrellas y otras cosas, y materia oscura invisible, que a menudo es más masiva que una galaxia y puede rodearla en un halo extendido. Estos dos tipos de materia se entrelazan en la formación y evolución de las galaxias. Sin embargo, por el momento, no hay mucho conocimiento sobre cómo se forma la masa de materia oscura en los halos de las galaxias, y cómo esta materia oscura afecta la formación de las galaxias.

COSMOS-Webb destacará este proceso al permitir que los científicos midan los halos de materia oscura directamente a través de una “lente débil”. La gravedad de cualquier tipo de masa, ya sea oscura o luminosa, puede actuar como una lente para “doblar” la luz que vemos en galaxias distantes. La debilidad de la lente distorsiona la forma aparente de las galaxias de fondo, por lo que cuando el halo se encuentra frente a otras galaxias, los científicos pueden medir directamente la masa de materia oscura en el halo.

dijo el miembro del equipo Anton Quikmore, un astrónomo investigador del Space Telescope Science Institute en Baltimore, quien ayudó a diseñar la estrategia de observación del programa y es responsable de crear todas las imágenes del programa. “Esta es una era crítica para que intentemos comprender cómo se coloca la masa galáctica por primera vez, y cómo esto está siendo impulsado por los halos de materia oscura. Y eso podría alimentar indirectamente nuestra comprensión de la formación de galaxias”.

Comparta datos rápidamente con la comunidad

COSMOS-Webb es un software de tesorería, que por definición está diseñado para crear conjuntos de datos de valor científico duradero. Los programas de tesorería buscan resolver múltiples problemas científicos utilizando un conjunto de datos único y coherente. Los datos tomados en el marco del programa de Tesorería no suelen tener un período de acceso exclusivo, lo que permite un análisis inmediato por parte de otros investigadores.

“Como programa de tesorería, está comprometido con la rápida divulgación de sus datos y productos de datos a la comunidad”, explicó Kartaltepe. “Produciremos este recurso comunitario y lo pondremos a disposición del público para que el resto de la comunidad pueda usarlo en sus análisis científicos”.

Koekemoer agregó: “El Programa de Tesorería se compromete a hacer que todos estos productos científicos estén disponibles públicamente para que cualquier persona de la comunidad, incluso organizaciones muy pequeñas, pueda tener el mismo acceso equitativo a los productos de datos y luego simplemente hacer la ciencia”.

COSMOS-Webb es un programa para observadores generales del primer ciclo. Los programas de observadores generales se seleccionaron de manera competitiva utilizando un sistema anónimo de doble revisión, el mismo sistema utilizado 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 los misterios de nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes del universo y nuestro lugar en ella. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.

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