Cuando el telescopio espacial James Webb de la NASA comience sus operaciones científicas en 2022, una de sus primeras tareas será un ambicioso programa 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.

Con más de 200 horas de tiempo de observación, COSMOS-Webb estudiará 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 son muy profundos, como encuestas con rayos de lápiz que están estudiando pequeñas parcelas de cielo, "explicó Caitlin Casey, profesor asistente en la Universidad de Texas en Austin y codirector 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 al principio, así como mapear la distribución de materia oscura a gran escala de las galaxias hasta tiempos muy tempranos ".

(La materia oscura no absorbe, reflejar, o emitir luz, por lo que no se puede ver directamente. Sabemos que la materia oscura existe por el efecto que tiene sobre los objetos que podemos observar).

COSMOS-Webb estudiará medio millón de galaxias con multibanda, alta resolución, imágenes de infrarrojo cercano, y un 32 sin precedentes, 000 galaxias en el infrarrojo medio. Con su rápida divulgación 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 de Hubble para obtener imágenes de un parche de cielo mucho más grande, aproximadamente el área de 10 lunas llenas. Desde allí, 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.

Por su ubicación en el cielo, el campo COSMOS es accesible para observatorios de todo el mundo. Ubicado en el ecuador celeste, se puede estudiar tanto en el hemisferio norte como en el sur, resultando en un tesoro rico y diverso de datos.

"COSMOS se ha convertido en la encuesta a la que acuden muchos científicos extragalácticos para realizar sus análisis porque los productos de datos están ampliamente 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 ampliar nuestra cobertura en la parte del espectro del infrarrojo cercano y medio, y por lo tanto empujando nuestro horizonte, qué tan lejos podemos ver ".

El ambicioso COSMOS-Webb se basará en descubrimientos anteriores para realizar avances en tres áreas de estudio particulares, incluyendo:revolucionar nuestra comprensión de la era de la reionización; buscando temprano, galaxias 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. Estrellas y galaxias que bañan el cosmos de luz, aún no se había formado. En lugar de, 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, las primeras estrellas y galaxias emergieron y proporcionaron energía para reionizar el universo primitivo. Esta energía destrozó los átomos de hidrógeno que llenaban el universo, dándoles una carga eléctrica y poniendo fin a la edad oscura cósmica. 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 desde 400, 000 a 1 mil 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, ya sean sistemas muy masivos o de masa relativamente baja. COSMOS-Webb tendrá una capacidad única para encontrar galaxias raras y ver cómo es su distribución en estructuras a gran escala. Entonces, son las galaxias responsables de la reionización que viven en el equivalente a una metrópoli cósmica, ¿O están distribuidos 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 temprano, galaxias completamente evolucionadas

COSMOS-Webb buscará muy pronto, galaxias completamente evolucionadas que bloquearon 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:normal, materia luminosa que vemos en 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, así que cuando un halo se ubica 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 desde los primeros 2 mil millones de años del tiempo cósmico, "dijo el miembro del equipo Anton Koekemoer, astrónomo investigador del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, quien ayudó a diseñar la estrategia de observación del programa y se encarga 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 eso es impulsado por los halos de materia oscura. Y eso puede alimentar indirectamente nuestra comprensión de la formación de galaxias ".

Compartiendo 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. Los programas de tesorería se esfuerzan por resolver múltiples problemas científicos con un solo conjunto de datos coherente. Los datos tomados bajo un Programa de Tesorería generalmente no tienen un período de acceso exclusivo, permitiendo el análisis inmediato por parte de otros investigadores.

"Como programa de tesorería, se compromete a divulgar rápidamente sus datos y sus productos de datos a la comunidad, ", explicó Kartaltepe." Vamos a producir este recurso comunitario y ponerlo a disposición del público para que el resto de la comunidad pueda utilizarlo en sus análisis científicos ".

Koekemoer agregado, "Un programa de tesorería se compromete a poner a disposición del público todos estos productos científicos para que cualquier persona de la comunidad, incluso en instituciones muy pequeñas, puede tener lo mismo, acceso equitativo a los productos de datos y luego simplemente hacer la ciencia ".

COSMOS-Webb es un programa de Observadores Generales del Ciclo 1. Los programas de Observadores Generales se seleccionaron competitivamente utilizando un sistema de revisión doble anónimo, el mismo sistema que se utiliza 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, mira más allá a mundos distantes alrededor de otras estrellas, y sondear las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, ESA (Agencia Espacial Europea) y Agencia Espacial Canadiense.