septiembre 18, 2021

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Mapeo de las estructuras más antiguas del universo y la distribución de materia oscura con COSMOS-Webb

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El estudio COSMOS-Webb mapeará 0,6 grados cuadrados del cielo, aproximadamente el área de tres lunas llenas, utilizando el instrumento de la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) del telescopio espacial James Webb, mientras que mapea 0,2 grados cuadrados más pequeños con el infrarrojo medio (MIRI ) instrumento. Los bordes irregulares del contorno del campo de Hubble se deben a las imágenes separadas que componen el campo de búsqueda. Crédito: Jeyhan Kartaltepe (RIT); Caitlin Casey (UT Austin); y Anton Koekemoer (STScI) Crédito de diseño gráfico: Alyssa Pagan (STScI)

Este ambicioso programa estudiará medio millón de galaxias en un campo del tamaño de tres lunas llenas.

Mirando profundamente en un gran trozo de cielo del tamaño de tres lunas llenas, NASAen Telescopio espacial James Webb emprenderá un ambicioso programa para estudiar medio millón de galaxias. Esta encuesta, denominada COSMOS-Webb, es el proyecto más grande que emprenderá Webb durante su primer año. Con más de 200 horas de tiempo de observación, se basará en descubrimientos anteriores para avanzar en tres áreas específicas de estudio. Esto incluye revolucionar nuestra comprensión de la era de la reionización; buscando galaxias tempranas completamente evolucionadas; y aprenda cómo evolucionó la materia oscura con el contenido estelar de las galaxias. Con la rápida divulgación de los datos al público, esta investigación será el principal conjunto de datos heredado de Webb para los científicos de todo el mundo que estudian galaxias más allá del Vía Láctea.

Campo COSMOS

Este mar de galaxias es el campo COSMOS original completo de la Cámara Avanzada para Sondeos (ACS) del Telescopio Espacial Hubble. El mosaico completo es una composición de 575 imágenes ACS separadas, donde cada imagen ACS tiene aproximadamente una décima parte del diámetro de la luna llena. Los bordes irregulares del contorno se deben a las imágenes separadas que componen el campo topográfico. Crédito: Anton Koekemoer (STScI) y Nick Scoville (Caltech)

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 estructuras más antiguas 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 observación, COSMOS-Webb inspeccionará una gran parte del cielo (0,6 grados al cuadrado) con la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam). Este es el tamaño de tres lunas llenas. Simultáneamente, mapeará un área más pequeña con el instrumento de infrarrojo medio (MIRI).

Infografía de reionización cósmica

Hace más de 13 mil millones de años, durante la Era de la Reionización, el universo era un lugar muy diferente. El gas entre las galaxias era en gran parte opaco a la luz energética, lo que dificultaba la observación de galaxias jóvenes. ¿Qué permitió que el universo se ionizara por completo o se volviera transparente, lo que eventualmente condujo a las condiciones “claras” detectadas en gran parte del universo hoy en día? El telescopio espacial James Webb observará profundamente el espacio para recopilar más información sobre los objetos que existieron durante la Era de la Reionización para ayudarnos a comprender esta importante transición en la historia del universo. Crédito: NASA, ESA y J. Kang (STScI)

Es un gran pedazo de cielo, que es bastante exclusivo del programa COSMOS-Webb. La mayoría de los programas de Webb están perforando muy profundamente, como sondeos con rayos de lápiz que estudian pequeñas áreas del cielo ”, explicó Caitlin Casey, profesora asistente en la Universidad de Texas en Austin y co-líder del programa COSMOS-Webb. “Debido a que cubrimos un área tan grande, podemos observar estructuras a gran escala al comienzo de la formación de galaxias. También buscaremos algunas de las galaxias más raras que existían al principio, así como mapearemos la distribución de materia oscura a gran escala de las galaxias hasta tiempos muy antiguos. “

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(La materia oscura no absorbe, refleja ni emite luz, por lo que no se puede ver directamente. Sabemos que la materia oscura existe debido al efecto que tiene en los objetos que podemos observar).

COSMOS-Webb estudiará medio millón de galaxias con imágenes multibanda de alta resolución en el infrarrojo cercano y 32.000 galaxias sin precedentes en el infrarrojo medio. Con su rápida divulgación pública de los datos, esta investigación será el principal conjunto de datos heredados de Webb para los científicos de todo el mundo que estudian galaxias más allá de la Vía Láctea.

Basado en los logros de Hubble

El estudio COSMOS comenzó en 2002 como un programa del Hubble para obtener imágenes de un parche de cielo mucho más grande, con aproximadamente 10 lunas llenas. A partir de ahí, la colaboración ha crecido para incluir la mayoría de los telescopios más grandes del mundo en la Tierra y en el espacio. Ahora, COSMOS es una búsqueda de múltiples longitudes de onda que cubre todo el espectro, desde los rayos X hasta la radio.

Debido a su ubicación en el cielo, el campo COSMOS es accesible a observatorios de todo el mundo. Ubicado en el ecuador celeste, se puede estudiar tanto en el hemisferio norte como en el sur, lo que da como resultado un cúmulo de datos rico y diverso.

“COSMOS se ha convertido en la investigación que hacen muchos científicos extragalácticos para realizar sus análisis porque los productos de datos están ampliamente disponibles y porque cubren un área tan amplia del cielo”, dijo Jeyhan Kartaltepe del Instituto de Tecnología de Rochester, profesor asistente de física y ciencia -líder del programa COSMOS-Webb. “COSMOS-Webb es la próxima edición de esto, donde usamos Webb para extender nuestra cobertura en la parte del infrarrojo cercano y medio del espectro y, por lo tanto, ampliar nuestro horizonte, qué tan lejos podemos ver. ”

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El ambicioso programa COSMOS-Webb se basará en hallazgos anteriores para avanzar en tres áreas específicas de estudio, que incluyen: revolucionar nuestra comprensión de la Era de la Reionización; buscando galaxias tempranas completamente evolucionadas; y aprenda cómo evolucionó la materia oscura con el contenido estelar de las galaxias.

Objetivo 1: Revolucionar nuestra comprensión de la era de la reionización

Inmediatamente después del Big Bang, el universo estaba completamente oscuro. Las estrellas y galaxias, que bañan el cosmos de luz, aún no se habían formado. En cambio, 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, surgieron las primeras estrellas y galaxias que proporcionaron energía para reionizar el universo primitivo. Esta energía destruyó los átomos de hidrógeno que llenaban el universo, dándoles 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 se produjo entre 400.000 y 1.000 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 hizo un gran trabajo al encontrar un puñado de estas galaxias en la antigüedad, pero necesitamos miles de galaxias para comprender el proceso de reionización”, explicó Casey.

Los científicos ni siquiera saben qué tipo de galaxias iniciaron la Era de la Reionización, si son sistemas muy masivos o de masa relativamente baja. COSMOS-Webb tendrá la capacidad única de encontrar galaxias raras y muy masivas y ver cómo se distribuyen en estructuras a gran escala. Entonces, ¿las galaxias responsables de la reionización viven en el equivalente a una metrópoli cósmica, o están distribuidas uniformemente en el espacio? Solo una encuesta del tamaño de COSMOS-Webb puede ayudar a los científicos a responder eso.

Objetivo 2: búsqueda de galaxias tempranas y completamente evolucionadas

COSMOS-Webb buscará galaxias muy tempranas y completamente evolucionadas que detuvieron 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 de cómo se formó el universo. Los científicos luchan por explicar cómo estas galaxias podrían tener estrellas viejas y no estar formando estrellas nuevas en el corto plazo de la historia del universo.

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Con una gran búsqueda como COSMOS-Webb, el equipo encontrará muchas de estas raras galaxias. Planean estudios detallados de estas galaxias para comprender cómo pudieron haber evolucionado tan rápido y detener la formación de estrellas tan pronto.

Objetivo 3: aprender cómo evolucionó la materia oscura a partir del contenido estelar de las galaxias

COSMOS-Webb dará a los científicos una idea de cómo evolucionó 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: materia luminosa normal que vemos en las estrellas y otros objetos, y materia oscura invisible, que generalmente es más masiva que la galaxia y puede rodearla en un halo extendido. Estos dos tipos de materia se entrelazan en la formación y evolución de la galaxia. Sin embargo, actualmente no hay mucho conocimiento sobre cómo se formó la masa de materia oscura en los halos de las galaxias y cómo esta materia oscura impacta la formación de las galaxias.

COSMOS-Webb arrojará luz sobre este proceso, permitiendo 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 clara, puede servir como lente para “desviar” la luz que vemos en galaxias más distantes. Las lentes débiles distorsionan la forma aparente de las galaxias de fondo, por lo que cuando un halo se encuentra frente a otras galaxias, los científicos pueden medir directamente la masa de 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 2000 millones de años del tiempo cósmico”, dijo el miembro del equipo Anton Koekemoer, investigador astrónomo del Space Telescope Science Institute en Baltimore, quien ayudó a diseñar la estrategia de observación del programa y es responsable de construir todas las imágenes del programa. “Este es un momento crucial para que intentemos comprender cómo se estableció por primera vez la masa de las galaxias y cómo esto 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 único conjunto de datos coherente. Los datos obtenidos bajo un Programa de Tesorería generalmente no tienen un período de acceso exclusivo, lo que permite un análisis inmediato por parte de otros investigadores.

“Como Programa de Tesorería, está comprometido a entregar rápidamente sus datos y 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 usarlo en sus revisiones científicas”.

Koekemoer agregó: “Un Programa de Tesorería se compromete a hacer que todos estos productos científicos estén disponibles públicamente para que cualquier persona de la comunidad, incluso en instituciones muy pequeñas, pueda tener el 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 de manera competitiva utilizando un sistema de revisión anónimo dual, el mismo sistema que se usa para asignar tiempo en Hubble.

El telescopio espacial James Webb será el observatorio de ciencia espacial líder en el mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas e investigará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y el nuestro. lugar de inicio. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.

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