När NASA:s rymdteleskop James Webb inleder sin vetenskapliga verksamhet 2022, en av dess första uppgifter kommer att vara ett ambitiöst program för att kartlägga de tidigaste strukturerna i universum. Kallas COSMOS-Webb, denna breda och djupa undersökning av en halv miljon galaxer är det största projekt som Webb kommer att genomföra under sitt första år.

Med mer än 200 timmars observationstid, COSMOS-Webb kommer att undersöka en stor del av himlen — 0,6 kvadratgrader — med Near-Infrared Camera (NIRCam). Det är storleken på tre fullmånar. Den kommer samtidigt att kartlägga ett mindre område med MIRI-instrumentet (mid-infrared).

"Det är en stor del av himlen, vilket är ganska unikt för COSMOS-Webb-programmet. De flesta Webb-program borrar väldigt djupt, som blyertsstråleundersökningar som studerar små fläckar av himlen, " förklarade Caitlin Casey, en biträdande professor vid University of Texas i Austin och medledare för COSMOS-Webb-programmet. "Eftersom vi täcker ett så stort område, vi kan titta på storskaliga strukturer i början av galaxbildningen. Vi kommer också att leta efter några av de mest sällsynta galaxerna som fanns tidigt, samt kartlägga den storskaliga distributionen av mörk materia av galaxer till mycket tidiga tider."

(Mörk materia absorberar inte, reflektera, eller avge ljus, så det går inte att se direkt. Vi vet att mörk materia existerar på grund av den effekt den har på föremål som vi kan observera.)

COSMOS-Webb kommer att studera en halv miljon galaxer med multiband, hög upplösning, nära infraröd avbildning, och en aldrig tidigare skådad 32, 000 galaxer i mitten av infrarött. Med sin snabba offentliga publicering av data, den här undersökningen kommer att vara en primär datauppsättning från Webb för forskare över hela världen som studerar galaxer bortom Vintergatan.

Bygger på Hubbles prestationer

COSMOS-undersökningen började 2002 som ett Hubble-program för att avbilda en mycket större del av himlen, ungefär ytan av 10 fullmånar. Därifrån, samarbetet snöade till att omfatta de flesta av världens stora teleskop på jorden och i rymden. Nu är COSMOS en multivåglängdsundersökning som täcker hela spektrumet från röntgen till radion.

På grund av dess läge på himlen, COSMOS-fältet är tillgängligt för observatorier runt om i världen. Beläget på den himmelska ekvatorn, det kan studeras från både norra och södra halvklotet, vilket resulterar i en rik och mångsidig databank.

"COSMOS har blivit den undersökning som många extragalaktiska forskare går till för att genomföra sina analyser eftersom dataprodukterna är så allmänt tillgängliga, och eftersom det täcker ett så stort område av himlen, " sa Rochester Institute of Technologys Jeyhan Kartaltepe, biträdande professor i fysik och medledare för COSMOS-Webb-programmet. "COSMOS-Webb är nästa del av det, där vi använder Webb för att utöka vår täckning i den nära- och mellaninfraröda delen av spektrumet, och därför skjuter vi ut vår horisont, hur långt bort vi kan se."

Den ambitiösa COSMOS-Webb kommer att bygga på tidigare upptäckter för att göra framsteg inom tre särskilda studieområden, inklusive:revolutionera vår förståelse av återjoniseringseran; letar efter tidigt, fullt utvecklade galaxer; och lära sig hur mörk materia utvecklades med galaxernas stjärninnehåll.

Mål 1:Revolutionera vår förståelse av återjoniseringstiden

Strax efter den stora smällen, universum var helt mörkt. Stjärnor och galaxer, som badar kosmos i ljus, ännu inte hade bildats. Istället, universum bestod av en ursoppa av neutrala väte- och heliumatomer och osynlig mörk materia. Detta kallas den kosmiska mörka medeltiden.

Efter flera hundra miljoner år, de första stjärnorna och galaxerna dök upp och gav energi för att återjonisera det tidiga universum. Denna energi slet isär väteatomerna som fyllde universum, ger dem en elektrisk laddning och avslutar den kosmiska mörka medeltiden. Denna nya era där universum översvämmades med ljus kallas återjoniseringstiden.

Det första målet för COSMOS-Webb fokuserar på denna epok av återjonisering, som ägde rum från 400, 000 till 1 miljard år efter big bang. Återjonisering skedde troligen i små fickor, inte allt på en gång. COSMOS-Webb kommer att leta efter bubblor som visar var de första fickorna i det tidiga universum återjoniserades. Teamet strävar efter att kartlägga omfattningen av dessa återjoniseringsbubblor.

"Hubble har gjort ett fantastiskt jobb med att hitta handfulla av dessa galaxer fram till tidiga tider, men vi behöver tusentals fler galaxer för att förstå återjoniseringsprocessen, " förklarade Casey.

Forskare vet inte ens vilken typ av galaxer som inledde återjoniseringstiden, oavsett om de är mycket massiva eller relativt låga system. COSMOS-Webb kommer att ha en unik förmåga att hitta mycket massiva, sällsynta galaxer och se hur deras utbredning är i storskaliga strukturer. Så, är galaxerna ansvariga för återjonisering som lever i motsvarigheten till en kosmisk metropol, eller är de mestadels jämnt fördelade över rymden? Endast en undersökning lika stor som COSMOS-Webb kan hjälpa forskare att svara på detta.

Mål 2:Letar efter tidigt, fullt utvecklade galaxer

COSMOS-Webb kommer att söka efter mycket tidigt, helt utvecklade galaxer som stängde stjärnfödseln under de första 2 miljarderna åren efter big bang. Hubble har hittat en handfull av dessa galaxer, som utmanar befintliga modeller om hur universum bildades. Forskare kämpar för att förklara hur dessa galaxer kunde ha gamla stjärnor och inte bilda några nya stjärnor så tidigt i universums historia.

Med en stor undersökning som COSMOS-Webb, teamet kommer att hitta många av dessa sällsynta galaxer. De planerar detaljerade studier av dessa galaxer för att förstå hur de kunde ha utvecklats så snabbt och stängt av stjärnbildning så tidigt.

Mål 3:Lär dig hur mörk materia utvecklades med galaxernas stjärninnehåll

COSMOS-Webb kommer att ge forskare insikt i hur mörk materia i galaxer har utvecklats med galaxernas stjärninnehåll under universums livstid.

Galaxer är gjorda av två typer av materia:normala, lysande materia som vi ser i stjärnor och andra föremål, och osynlig mörk materia, som ofta är mer massiv än galaxen och kan omge den i en utsträckt gloria. Dessa två typer av materia är sammanflätade i galaxbildning och evolution. Dock, för närvarande finns det inte mycket kunskap om hur den mörka materiens massa i galaxernas halos bildades, och hur den mörka materien påverkar bildandet av galaxerna.

COSMOS-Webb kommer att belysa denna process genom att tillåta forskare att direkt mäta dessa mörka materia-glorier genom "svag linsering." Tyngdkraften från alla typer av massa – oavsett om den är mörk eller lysande – kan fungera som en lins för att "böja" ljuset vi ser från mer avlägsna galaxer. Svag linsering förvränger den skenbara formen på bakgrundsgalaxer, så när en halo är placerad framför andra galaxer, forskare kan direkt mäta massan av halos mörka materia.

"För första gången, vi kommer att kunna mäta förhållandet mellan den mörka materiens massa och den ljusa massan av galaxer tillbaka till de första 2 miljarder åren av kosmisk tid, " sa teammedlem Anton Koekemoer, en forskningsastronom vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, som hjälpte till att utforma programmets observationsstrategi och ansvarar för att konstruera alla bilder från programmet. "Det är en avgörande epok för oss att försöka förstå hur galaxernas massa först sattes på plats, och hur det drivs av den mörka materiens halos. Och det kan sedan indirekt matas in i vår förståelse av galaxbildning."

Dela data snabbt med samhället

COSMOS-Webb är ett finansförvaltningsprogram, som per definition är utformad för att skapa datauppsättningar av bestående vetenskapligt värde. Treasury-program strävar efter att lösa flera vetenskapliga problem med en enda, sammanhängande datauppsättning. Data som tas under ett Treasury-program har vanligtvis ingen exklusiv åtkomstperiod, möjliggör omedelbar analys av andra forskare.

"Som ett finansförvaltningsprogram, du åtar dig att snabbt släppa dina data och dina dataprodukter till gemenskapen, " förklarade Kartaltepe. "Vi kommer att producera den här gemenskapsresursen och göra den tillgänglig för allmänheten så att resten av gemenskapen kan använda den i sina vetenskapliga analyser."

Koekemoer lade till, "Ett Treasury-program förbinder sig att göra alla dessa vetenskapsprodukter tillgängliga för allmänheten så att alla i samhället, även på mycket små institutioner, kan ha samma, lika tillgång till dataprodukterna och sedan bara göra vetenskapen."

COSMOS-Webb är ett Cycle 1 General Observers-program. General Observers-program valdes ut konkurrenskraftigt med hjälp av ett dubbelt-anonymt granskningssystem, samma system som används för att allokera tid på Hubble.

Rymdteleskopet James Webb kommer att vara världens främsta rymdforskningsobservatorium när det lanseras 2021. Webb kommer att lösa mysterier i vårt solsystem, se bortom till avlägsna världar runt andra stjärnor, och undersöka de mystiska strukturerna och ursprunget till vårt universum och vår plats i det. Webb är ett internationellt program som leds av NASA med sina partners, ESA (European Space Agency) och Canadian Space Agency.