Astronomer och ingenjörer har designat teleskop, till viss del, att vara "tidsresenärer". Ju längre bort ett föremål är, ju längre tid det tar för dess ljus att nå jorden. Att titta bakåt i tiden är en anledning till varför NASA:s kommande James Webb rymdteleskop specialiserar sig på att samla in infrarött ljus:dessa längre våglängder, som ursprungligen sänds ut av stjärnor och galaxer som ultraviolett ljus för mer än 13 miljarder år sedan, har sträckt sig, eller rödskiftad, in i infrarött ljus när de reste mot oss genom det expanderande universum.

Även om många andra observatorier, inklusive NASA:s Hubble Space Telescope, har tidigare skapat "djupa fält" genom att stirra på små områden på himlen under betydande bitar av tid, Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) undersökning, ledd av Steven L. Finkelstein vid University of Texas i Austin, kommer att vara den första för Webb. Han och hans forskargrupp kommer att tillbringa drygt 60 timmar med att rikta teleskopet mot en del av himlen som kallas Extended Groth Strip, som observerades som en del av Hubbles Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey eller CANDELS.

"Med Webb, vi vill göra den första spaningen för galaxer ännu närmare big bang, ", sa Finkelstein. "Det är absolut inte möjligt att göra denna forskning med något annat teleskop. Webb kan göra anmärkningsvärda saker vid våglängder som har varit svåra att observera tidigare, på marken eller i rymden."

Mark Dickinson från National Science Foundations National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory i Arizona, och en av CEERS-undersökningens medutredare, ger en nick till Hubble samtidigt som han ser fram emot Webbs observationer. "Undersökningar som Hubble Deep Field har gjort det möjligt för oss att kartlägga historien om kosmisk stjärnbildning i galaxer inom en halv miljard år efter big bang hela vägen till nutid i överraskande detalj, " sa han. "Med CEERS, Webb kommer att titta ännu längre för att lägga till nya data till dessa undersökningar."

Att leverera det osynliga

Hur var det tidiga universum? Det finns säkert många datapunkter, men inte tillräckligt för att skapa en uttömmande folkräkning av dess villkor. Plus, forskarnas kunskaper och antaganden uppdateras ofta – varje gång en ny djup exponering släpps. "Varje gång vi tittar längre, vi hittar galaxer tidigare och tidigare än vi trodde var möjligt. Förhållandena i det mycket tidiga universum måste vara rätt för att galaxer skulle bildas – och de bildades och blev massiva mycket snabbt, " sa CEERS Survey medutredare Jeyhan Kartaltepe vid Rochester Institute of Technology i New York.

"Universum var mer kompakt vid den här tiden, vilket betyder att stjärnor och galaxer kunde ha bildats med större effektivitet, " tillade Finkelstein. "Vissa modeller förutspår att vi kommer att hitta 50 galaxer vid tidigare epoker längre bort än vad Hubble kan nå, men andra förutspår att vi bara kommer att hitta ett fåtal. I båda fallen, data kommer att hjälpa oss att begränsa galaxbildningen i det tidiga universum."

CEERS undersökningsteam hoppas kunna identifiera ett överflöd av avlägsna föremål, inklusive de mest avlägsna galaxerna i universum, tidiga galaxsammanslagningar och interaktioner, de första massiva eller supermassiva svarta hålen, och till och med tidigare kvasarer än tidigare identifierat. Dessa potentiella "första" är bara början på värdet av denna forskning:Teamet, som består av över 100 forskare från hela världen, kommer att fortsätta med att klassificera många objekt i fältet. "Dessa data kommer att hjälpa till att visa hur universums struktur var under olika perioder, " förklarade Finkelstein.

Tryck på "Spol tillbaka"

Det kanske mest spännande inslaget i denna forskning är hur teamet kommer att använda data för att avslöja nya rön om en viktig period av universums historia som kallas "Era of Reionization." Big bang startade en rad händelser, leder till den kosmiska mikrovågsbakgrunden, den mörka medeltiden, de första stjärnorna och galaxerna – och sedan till eran av återjonisering. Under denna period, gasen i universum förvandlades från mestadels neutral, vilket betyder att det var ogenomskinligt för ultraviolett ljus, och blev helt joniserad, vilket gjorde det möjligt att vara transparent. Jonisering innebär att atomerna togs bort från sina elektroner – vilket så småningom ledde till de "klara" förhållanden som upptäcks i stora delar av universum idag.

Många frågor kvarstår om denna unika tid i vårt universum. Till exempel, vad var ansvarigt för att omvandla gasen från neutral till joniserad? Och hur lång tid tog det innan universum blev betydligt mindre ogenomskinligt och mycket mer transparent?

"Vi tror att detta hände när ultraviolett ljus flydde ung, bildar galaxer, " Dickinson förklarade. "Det kan finnas andra faktorer. Till exempel, tidigt ackreterande svarta hål kan också ha sänt ut ultraviolett ljus som så småningom hjälpte till att omvandla gasen."

Var galaxerna dyker upp på himlen ger en annan ledtråd. "Vi kommer att undersöka galaxer från återjoniseringstiden för att se om de är samlade i samma regioner eller om de är mer isolerade, " sa Kartaltepe. "Vi har många idéer om vad som får galaxer att växa och bli mer massiva, men vi behöver mer omfattande information om dessa galaxer för att till fullo förstå hur de initialt växte och utvecklades."

Närvaron av galaktiska sammanslagningar eller interaktioner – eller avsaknad av sådana – kommer också att hjälpa teamet att spåra miljöns förhållanden under eran av återjonisering. "CEERS-undersökningen kommer att ge oss tips om hur denna period fortskred, " tillägger Dickinson. "Vi kommer säkert att lära oss om de galaxer vi tror är ansvariga, och hoppas också att lära sig om den joniserande strålningen som undgick dem."

Teamet har utformat CEERS-undersökningen för att ge så mycket kompletterande data som möjligt för många mål inom detta synfält. De kommer att använda tre av Webbs instrument, i flera lägen, för att få bilder av Extended Groth Strip, förutom spektra. Spektra är ovärderlig data eftersom de hjälper forskare att identifiera färgerna, temperaturer, rörelser, och massor av varje mål, och ger en mycket mer djupgående titt på den kemiska sammansättningen av avlägsna föremål.

"Det är skillnaden med Webbs nära-infraröda spektrograf, eller NIRSpec, ", betonade Dickinson. "Vi kommer att öppna spektrografens mikroslutarslitsar för att individuellt observera hundratals galaxer för att få deras spektra för första gången."

Börjar bygga en folkräkning

Under månaderna efter det första datasläppet, CEERS-undersökningens forskare kommer att skapa och lägga upp nya verktyg och kataloger som alla forskare kan använda för att analysera data, inklusive massor av galaxer, galaxformer, och fotometriska rödförskjutningar. "Med samma uppsättning observationer, hundratals forskare kan utföra hundratals vetenskapliga experiment, " sa Kartaltepe. "Vi kommer också att hitta saker som vi inte ens tänkte fråga, vilket är ytterligare en anledning till att CEERS-undersökningen kommer att vara så givande. Vår förhoppning är att CEERS-undersökningen kommer att påverka framtida undersökningar av avlägsna galaxer med Webb, ", tillade Finkelstein. "Det kommer också att visa för samhället att observation med en mängd olika instrument och metoder är mycket giltiga sätt att öka Webbs vetenskapliga avkastning."