I decennier har teleskop hjälpt oss att fånga ljus från galaxer som bildades så långt tillbaka som 400 miljoner år efter big bang – otroligt tidigt i universums 13,8 miljarder år långa historia. Men vad var galaxer som existerade ännu tidigare, när universum var halvtransparent i början av en period känd som eran av återjonisering? NASA:s nästa flaggskeppsobservatorium, James Webb Space Telescope, är redo att lägga till nya rikedomar till vår kunskapsrikedom, inte bara genom att ta bilder från galaxer som existerade så tidigt som de första hundra miljoner åren efter big bang, utan också genom att ge oss detaljerade data som kallas spektra. Med Webbs observationer kommer forskare för första gången att kunna berätta för oss om sammansättningen och sammansättningen av enskilda galaxer i det tidiga universum.

Next Generation Deep Extragalactic Exploratory Public (NGDEEP) Survey, som leds av Steven L. Finkelstein, en docent vid University of Texas i Austin, kommer att rikta in sig på samma två regioner som utgör Hubble Ultra Deep Field – platser i konstellationen Fornax där Hubble tillbringade mer än 11 ​​dagar med att ta djupa exponeringar. För att producera sina observationer riktade Hubble Space Telescope sig på närliggande områden av himlen samtidigt med två instrument – ​​något förskjutna från varandra – kända som ett primärt och ett parallellt fält. "Vi har samma fördel med Webb," förklarade Finkelstein. "Vi använder två vetenskapliga instrument samtidigt, och de kommer att observera kontinuerligt." De kommer att rikta Webbs Near-Infrared Imager och Slitless Spectrograph (NIRISS) på det primära Hubble Ultra Deep Field, och Webbs Near-Infrared Camera (NIRCam) på det parallella fältet, och få dubbelt så mycket pengar för sin "peng" av teleskoptid.

För avbildningen med NIRCam kommer de att observera i över 125 timmar. För varje minut som går kommer de att få mer och mer information från djupare och djupare i universum. Vad söker de? Några av de tidigaste galaxerna som bildades. "Vi har riktigt bra indikationer från Hubble på att det finns galaxer på plats vid en tidpunkt 400 miljoner år efter den stora smällen," sa Finkelstein. "De vi ser med Hubble är ganska stora och mycket ljusa. Det är högst troligt att det finns mindre, svagare galaxer som bildats ännu tidigare och som väntar på att hittas."

Det här programmet kommer bara att använda ungefär en tredjedel av den tid Hubble hittills har spenderat på liknande undersökningar. Varför? Delvis beror detta på att Webbs instrument designades för att fånga infrarött ljus. När ljus färdas genom rymden mot oss, sträcker det sig till längre, rödare våglängder på grund av universums expansion. "Webb kommer att hjälpa oss att tänja på alla gränser", säger Jennifer Lotz, en medforskare på förslaget och chef för Gemini Observatory, en del av National Science Foundations NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory). "Och vi kommer att släppa data omedelbart till nytta för alla forskare."

Dessa forskare kommer också att fokusera på att identifiera metallinnehållet i varje galax, särskilt i mindre och svagare galaxer som ännu inte har undersökts noggrant - speciellt med de spektra som Webbs NIRISS-instrument levererar. "Ett av de grundläggande sätten att spåra evolution över kosmisk tid är genom mängden metaller som finns i en galax", förklarade Danielle Berg, biträdande professor vid University of Texas i Austin och en medutredare av förslaget. När universum började fanns det bara väte och helium. Nya grundämnen bildades av på varandra följande generationer av stjärnor. Genom att katalogisera innehållet i varje galax kommer forskarna att kunna rita ut exakt när olika element existerade och uppdatera modeller som projicerar hur galaxer utvecklades i det tidiga universum.

Ta tillbaka nya lager

Ett annat program, som leds av Michael Maseda, en biträdande professor vid University of Wisconsin-Madison, kommer att undersöka det primära Hubble Ultra Deep Field med hjälp av microshutter-arrayen inom Webbs Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Detta instrument returnerar spektra för specifika objekt beroende på vilka miniatyrluckor forskare öppnar. "Dessa galaxer existerade under de första miljarderna åren i universums historia, som vi har väldigt lite information om hittills," förklarade Maseda. "Webb kommer att tillhandahålla det första stora urvalet som ger oss chansen att förstå dem i detalj."

Vi vet att dessa galaxer existerar på grund av omfattande observationer som detta team har gjort – tillsammans med ett internationellt forskarlag – med det markbaserade Very Large Telescopes Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) instrument. Även om MUSE är "scout" som identifierar mindre, svagare galaxer i detta djupa fält, kommer Webb att vara det första teleskopet som helt karakteriserar deras kemiska sammansättning.

Dessa extremt avlägsna galaxer har viktiga implikationer för vår förståelse av hur galaxer bildades i det tidiga universum. "Webb kommer att öppna ett nytt utrymme för upptäckter", förklarade Anna Feltre, en forskare vid National Institute for Astrophysics i Italien och en medutredare. "Dess data kommer att hjälpa oss att lära oss exakt vad som händer när en galax bildas, inklusive vilka metaller de innehåller, hur snabbt de växer och om de redan har svarta hål."

Denna forskning kommer att utföras som en del av Webbs General Observer (GO)-program, som är konkurrenskraftiga utvalda med hjälp av en dubbel-anonym granskning, samma system som används för att allokera tid på Hubble Space Telescope. + Utforska vidare

Webb-teleskopets första vetenskapliga fullfärgsbilder kommer i juli