Forskare kommer att använda NASA:s rymdteleskop James Webb för att studera delar av himlen som tidigare observerats av NASA:s stora observatorier, inklusive rymdteleskopet Hubble och rymdteleskopet Spitzer, att förstå skapandet av universums första galaxer och stjärnor.

Efter att den har lanserats och är helt idriftsatt, forskare planerar att fokusera Webb-teleskopet på delar av Hubble Ultra-Deep Field (HUDF) och Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS). Dessa sektioner av himlen är bland Webbs lista över mål som valts ut av garanterade tidsobservatörer, forskare som hjälpte till att utveckla teleskopet och därmed få vara bland de första att använda det för att observera universum. Gruppen av forskare kommer i första hand att använda Webbs mellaninfraröda instrument (MIRI) för att undersöka en del av HUDF, och Webbs nära infraröda kamera (NIRCam) för att avbilda en del av GOODS.

"Genom att blanda [data från] dessa instrument, vi får information om den aktuella stjärnbildningstakten, men vi kommer också att få information om stjärnbildningens historia, " förklarade Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen, en astronom vid det danska rymdforskningsinstitutet i Danmark och huvudutredaren för de föreslagna observationerna.

Pablo Pérez-González, en astrofysikprofessor vid Complutense University of Madrid i Spanien och en av flera medutredare av Nørgaard-Nielsens föreslagna observation, sa att de kommer att använda Webb för att observera cirka 40 procent av HUDF-området med MIRI, på ungefär samma plats som markbaserade teleskop som Atacama Large Millimeter Array (ALMA) och Very Large Telescope array (VLT) erhöll ultradjupa fältdata.

Den ikoniska HUDF-bilden visar cirka 10, 000 galaxer i en liten del av himlen, motsvarande mängden himmel du skulle se med blotta ögat om du tittade på den genom ett sugrör. Många av dessa galaxer är mycket svaga, mer än 1 miljard gånger svagare än vad det blotta ögat kan se, markerar dem som några av de äldsta galaxerna i det synliga universum.

Med sina kraftfulla spektrografiska instrument, Webb kommer att se mycket mer detaljer än enbart bildbehandling kan ge. Spektroskopi mäter ljusets spektrum, vilka forskare analyserar för att bestämma fysikaliska egenskaper hos det som observeras, inklusive temperatur, massa, och kemisk sammansättning. Pérez-González förklarade att detta kommer att tillåta forskare att studera hur gaser omvandlas till stjärnor i de första galaxerna, och för att bättre förstå de första faserna i bildandet av supermassiva svarta hål, inklusive hur de svarta hålen påverkar bildandet av deras hemgalax. Astronomer tror att mitten av nästan varje galax innehåller ett supermassivt svart hål, och att dessa svarta hål är relaterade till galaktisk bildning.

MIRI kan observera i det infraröda våglängdsområdet 5 till 28 mikron. Pérez-González sa att de kommer att använda instrumentet för att observera en sektion av HUDF i 5,6 mikron, som Spitzer kan, men att Webb kommer att kunna se objekt 250 gånger svagare och med åtta gånger mer rumslig upplösning. I detta fall, rumslig upplösning är förmågan hos ett optiskt teleskop, som Webb, för att se de minsta detaljerna i ett objekt.

Pérez-González sa att de i området för HUDF kommer att observera, Hubble kunde se cirka 4, 000 galaxer. Han tillade att, med Webb, de "kommer att upptäcka cirka 2, 000 till 2, 500 galaxer, men i ett helt annat spektralband, så många galaxer kommer att vara helt annorlunda än de som [Hubble] upptäckte."

Med NIRCam, teamet kommer att observera en del av GOODS-regionen nära deras valda sektion av HUDF. Hela GOODS-undersökningsfältet inkluderar observationer från Hubble, Spitzer, och flera andra rymdobservatorier.

"Dessa NIRCam-bilder kommer att tas i tre band, och de kommer att vara de djupaste som erhållits av något garanterat tidsobservationsteam, " förklarade Pérez-González.

NIRCam kan observera i det infraröda våglängdsområdet på 0,6 till 5 mikron. Pérez-González förklarade att de kommer att använda den för att observera en del av VAROR i 1,15 mikron-bandet, som Hubble kan, men att Webb kommer att kunna se objekt 50 gånger svagare och med två gånger mer rumslig upplösning. De kommer också att använda den för att observera banden på 2,8 och 3,6 mikron. Spitzer kan också göra detta, men Webb kommer att kunna observera objekt nästan 100 gånger svagare och med åtta gånger större rumslig upplösning.

Eftersom universum expanderar, ljus från avlägsna objekt i universum "rödförskjuts, " vilket betyder att ljuset som sänds ut av dessa objekt är synligt i de rödare våglängderna när det når oss. Objekten längst bort från oss, de med de högsta rödförskjutningarna, har sitt ljus skiftat in i den nära- och mittinfraröda delen av det elektromagnetiska spektrumet. Webb-teleskopet är speciellt utformat för att observera objekten i det området av spektrumet, vilket gör den idealisk för att titta på det tidiga universum.

"När du bygger ett observatorium med oöverträffad kapacitet, de mest intressanta resultaten kommer förmodligen inte att vara de som du kan förvänta dig eller förutsäga, men de som ingen kan föreställa sig, sa Pérez-González.