Memetakan Struktur Dasar Alam Semesta dan Distribusi Materi Gelap Menggunakan COSMOS-Webb

Survei COSMOS-Webb akan memetakan 0,6 derajat persegi langit — sekitar luas tiga bulan purnama — menggunakan instrumen Near Infrared Camera (NIRCam) James Webb Space Telescope, sambil memetakan 0,2 derajat persegi yang lebih kecil pada saat yang sama dengan instrumen inframerah Medium merah (Miri). Tepi bergerigi dari diagram bidang Hubble disebabkan oleh gambar terpisah yang membentuk bidang pemindaian. Kredit: Jeyhan Kartaltepe (RIT); Caitlin Casey (Utah, Austin); Anton Kwiquimore (STScI) Kredit Desain Grafis: Alyssa Pagan (STScI)

Program ambisius ini akan mempelajari setengah juta galaksi di bidang seukuran tiga bulan purnama.

Menatap dalam-dalam ke sepetak besar langit seukuran tiga bulan purnama, NASA‘S Teleskop Luar Angkasa James Webb Program ambisius untuk mempelajari setengah juta galaksi. Survei, yang disebut COSMOS-Webb, adalah proyek terbesar yang akan dilakukan Webb selama tahun pertama. Dengan lebih dari 200 jam waktu pengamatan, itu akan membangun penemuan-penemuan sebelumnya untuk membuat kemajuan dalam tiga bidang studi tertentu. Ini termasuk merevolusi pemahaman kita tentang era reionisasi; mencari galaksi yang berkembang awal; Dan pelajari bagaimana materi gelap dan kandungan bintang di galaksi telah berevolusi. Dengan rilis data publik yang cepat, survei ini akan menjadi kumpulan data warisan Webb yang penting bagi para ilmuwan di seluruh dunia yang mempelajari galaksi di luar Bima Sakti.

Lautan galaksi ini adalah bidang COSMOS asli yang lengkap dari Advanced Camera for Surveys (ACS) Hubble Space Telescope. Mosaik penuh adalah gabungan dari 575 gambar ACS yang terpisah, dengan setiap gambar ACS kira-kira sepersepuluh diameter bulan purnama. Tepi garis yang bergerigi disebabkan oleh gambar terpisah yang membentuk bidang survei. Kredit: Anton Koekemoer (STScI) dan Nick Scoville (Caltech)

Ketika Teleskop Luar Angkasa James Webb NASA memulai operasi sains pada tahun 2022, salah satu misi pertamanya adalah program ambisius untuk memetakan struktur tertua di alam semesta. Dijuluki COSMOS-Webb, survei yang luas dan mendalam terhadap setengah juta galaksi ini adalah proyek terbesar yang akan dilakukan Webb selama tahun pertamanya.

Dengan lebih dari 200 jam waktu pengamatan, COSMOS-Webb akan memindai petak besar langit – 0,6 derajat persegi – menggunakan kamera inframerah-dekat (NIRCam). Ini adalah ukuran tiga bulan purnama. Pada saat yang sama Anda akan memetakan area yang lebih kecil dengan Mid-Infrared Instrument (MIRI).

Lebih dari 13 miliar tahun yang lalu, selama era reionisasi, alam semesta adalah tempat yang sama sekali berbeda. Gas intergalaksi terlalu buram untuk cahaya energik, membuat galaksi muda sulit untuk diamati. Apa yang memungkinkan alam semesta menjadi sepenuhnya terionisasi, atau transparan, yang akhirnya mengarah pada kondisi “jelas” yang terdeteksi di sebagian besar alam semesta saat ini? Teleskop Luar Angkasa James Webb akan menggali lebih dalam ke luar angkasa untuk mengumpulkan lebih banyak informasi tentang hal-hal yang ada selama era reionisasi untuk membantu kita memahami perubahan besar dalam sejarah alam semesta ini. Kredit: NASA, ESA, dan J.Kang (STScI)

Ini adalah hamparan langit yang luas, dan sangat unik untuk COSMOS-Webb. Sebagian besar program Webb menggali sangat dalam, seperti pemindaian pen-beam yang mempelajari bidang-bidang kecil langit, jelas Caitlin Casey, profesor di University of Texas di Austin dan salah satu pemimpin program COSMOS-Webb. “Karena kita mencakup area yang luas, kita dapat melihat struktur skala besar pada awal pembentukan galaksi. Kita juga akan mencari beberapa galaksi awal yang paling langka, serta memetakan distribusi materi gelap galaksi dalam skala besar. ke waktu yang sangat awal.”

(Materi gelap tidak menyerap, memantulkan, atau memancarkan cahaya, sehingga tidak dapat dilihat secara langsung. Kita tahu bahwa materi gelap ada karena pengaruhnya terhadap hal-hal yang dapat kita amati.)

COSMOS-Webb akan mempelajari setengah juta galaksi dengan multi-band, resolusi tinggi, pencitraan dekat-inframerah, dan 32.000 belum pernah terjadi sebelumnya di pertengahan-inframerah. Dengan rilis data publik yang cepat, survei ini akan menjadi kumpulan data warisan Webb yang penting bagi para ilmuwan di seluruh dunia yang mempelajari galaksi di luar Bima Sakti.

Membangun Prestasi Hubble

Survei COSMOS dimulai pada tahun 2002 sebagai program Hubble untuk mencitrakan petak langit yang jauh lebih besar, di sekitar area 10 bulan purnama. Dari sana, kolaborasi berlipat ganda untuk memasukkan sebagian besar teleskop utama dunia di Bumi dan di luar angkasa. Sekarang COSMOS adalah pemindaian multi-panjang gelombang yang mencakup spektrum penuh sinar-X melalui radio.

Karena posisinya di langit, bidang COSMOS dapat diakses oleh observatorium di seluruh dunia. Itu terletak di ekuator langit, dan dapat dipelajari dari belahan utara dan selatan, menghasilkan perbendaharaan data yang kaya dan beragam.

“COSMOS telah menjadi survei yang dilakukan oleh banyak ilmuwan ekstragalaksi untuk analisis mereka karena produk data tersedia secara luas, dan karena mencakup area langit yang luas,” kata Jeyhan Kartaltepe dari Institut Teknologi Rochester, asisten profesor fisika dan co-pemimpin program COSMOS.Web. “COSMOS-Webb adalah angsuran berikutnya, di mana kami menggunakan Webb untuk memperluas cakupan kami di bagian spektrum inframerah dekat dan menengah, sehingga semakin jauh dari cakrawala kami, seberapa jauh kami dapat melihat.”

Program COSMOS-Webb yang ambisius akan membangun penemuan sebelumnya untuk memajukan tiga bidang studi tertentu, termasuk: merevolusi pemahaman kita tentang era reionisasi; pencarian galaksi awal yang berkembang penuh; Dan pelajari bagaimana materi gelap dan kandungan bintang di galaksi telah berevolusi.

Tujuan 1: Untuk merevolusi pemahaman kita tentang era reionisasi

Segera setelah Big Bang, alam semesta benar-benar gelap. Bintang-bintang dan galaksi, yang memandikan alam semesta dalam cahaya, belum terbentuk. Sebaliknya, alam semesta terdiri dari sup primordial atom hidrogen dan helium netral dan materi gelap tak kasat mata. Ini disebut zaman kegelapan kosmik.

Beberapa ratus juta tahun kemudian, bintang dan galaksi pertama muncul dan menyediakan energi untuk mengionisasi ulang alam semesta awal. Energi ini mencabik-cabik atom hidrogen yang memenuhi alam semesta, memberinya muatan listrik dan mengakhiri zaman kegelapan kosmik. Zaman baru di mana alam semesta dibanjiri cahaya disebut era reionisasi.

Target pertama COSMOS-Webb berfokus pada zaman reionisasi ini, yang terjadi 400.000 hingga 1 miliar tahun setelah Big Bang. Reionisasi kemungkinan besar terjadi di kantong-kantong kecil, tidak sekaligus. COSMOS-Webb akan mencari gelembung yang menunjukkan di mana kantong pertama dari alam semesta awal mengalami reionisasi. Tim bertujuan untuk memetakan ukuran gelembung reionisasi ini.

“Hubble telah melakukan pekerjaan yang hebat dalam menemukan beberapa galaksi ini hingga usia dini, tetapi kami membutuhkan ribuan galaksi lagi untuk memahami proses reionisasi,” jelas Casey.

Para ilmuwan bahkan tidak tahu galaksi seperti apa yang menyebabkan era reionisasi, apakah mereka sistem yang sangat masif atau bermassa relatif rendah. COSMOS-Webb akan memiliki kemampuan unik untuk menemukan galaksi besar dan sangat langka dan mempelajari bagaimana mereka didistribusikan dalam struktur skala besar. Jadi, apakah galaksi bertanggung jawab atas reionisasi yang hidup di kota kosmik yang setara, atau sebagian besar tersebar merata di ruang angkasa? Hanya survei seukuran COSMOS-Webb yang dapat membantu para ilmuwan menjawab pertanyaan ini.

Tujuan 2: Mencari galaksi yang berevolusi sepenuhnya

COSMOS-Webb akan mencari galaksi yang sangat awal dan berkembang sepenuhnya yang menghentikan kelahiran bintang dalam 2 miliar tahun pertama setelah Big Bang. Hubble telah menemukan beberapa galaksi ini, yang menantang model yang ada tentang bagaimana alam semesta terbentuk. Para ilmuwan berjuang untuk menjelaskan bagaimana galaksi-galaksi ini dapat berisi bintang-bintang tua dan tidak membentuk bintang-bintang baru di awal sejarah alam semesta.

Melalui survei besar seperti COSMOS-Webb, tim akan menemukan banyak galaksi langka ini. Mereka merencanakan studi terperinci tentang galaksi-galaksi ini untuk memahami bagaimana mereka dapat berevolusi begitu cepat dan menghentikan pembentukan bintang sedini mungkin.

Tujuan 3: Mempelajari bagaimana materi gelap berevolusi menggunakan kandungan bintang di galaksi

COSMOS-Webb akan memberi para ilmuwan wawasan tentang bagaimana materi gelap di galaksi berevolusi dengan kandungan bintang galaksi selama masa hidup alam semesta.

Galaksi terbuat dari dua jenis materi: materi biasa dan materi bercahaya yang kita lihat di bintang dan hal-hal lain, dan materi gelap tak terlihat, yang seringkali lebih masif daripada galaksi dan dapat mengelilinginya dalam lingkaran cahaya yang memanjang. Kedua jenis materi ini saling terkait dalam pembentukan dan evolusi galaksi. Namun, saat ini, tidak banyak pengetahuan tentang bagaimana massa materi gelap terbentuk di lingkaran cahaya galaksi, dan bagaimana materi gelap ini memengaruhi pembentukan galaksi.

COSMOS-Webb akan menyoroti proses ini dengan memungkinkan para ilmuwan untuk mengukur lingkaran cahaya materi gelap secara langsung melalui “lensa lemah.” Gravitasi dari semua jenis massa — apakah itu gelap atau bercahaya — dapat bertindak sebagai lensa untuk “membengkokkan” cahaya yang kita lihat dari galaksi jauh. Kelemahan lensa mendistorsi bentuk nyata dari latar belakang galaksi, sehingga ketika halo berada di depan galaksi lain, para ilmuwan dapat langsung mengukur massa materi gelap di halo.

kata anggota tim Anton Quikmore, seorang astronom peneliti di Space Telescope Science Institute di Baltimore, yang membantu merancang strategi observasi program dan bertanggung jawab untuk menciptakan semua gambar dari program tersebut. “Ini adalah era kritis bagi kita untuk mencoba memahami bagaimana massa galaksi ditempatkan untuk pertama kalinya, dan bagaimana ini didorong oleh lingkaran cahaya materi gelap. Dan itu secara tidak langsung dapat memberi makan pemahaman kita tentang pembentukan galaksi.”

Bagikan data dengan cepat ke komunitas

COSMOS-Webb adalah perangkat lunak perbendaharaan, yang menurut definisi dirancang untuk membuat kumpulan data bernilai ilmiah yang bertahan lama. Program perbendaharaan berusaha memecahkan banyak masalah ilmiah menggunakan satu set data yang kohesif. Data yang diambil di bawah program Perbendaharaan biasanya tidak memiliki periode akses eksklusif, sehingga memungkinkan analisis langsung oleh peneliti lain.

“Sebagai program perbendaharaan, Anda berkomitmen untuk merilis data dan produk data Anda secara cepat ke komunitas,” jelas Kartaltepe. “Kami akan memproduksi sumber daya komunitas ini dan membuatnya tersedia untuk umum sehingga komunitas lainnya dapat menggunakannya dalam analisis ilmiah mereka.”

Koekemoer menambahkan, “Program Perbendaharaan berkomitmen untuk membuat semua produk sains ini tersedia untuk umum sehingga siapa pun di komunitas, bahkan organisasi yang sangat kecil, dapat memiliki akses yang sama ke produk data dan kemudian melakukan sains.”

COSMOS-Webb adalah program untuk pengamat umum dari siklus pertama. Program pengamat umum dipilih secara kompetitif menggunakan sistem tinjauan ganda anonim, sistem yang sama yang digunakan untuk mengalokasikan waktu di Hubble.

Teleskop Luar Angkasa James Webb akan menjadi observatorium sains ruang angkasa utama dunia ketika diluncurkan pada tahun 2021. Webb akan memecahkan misteri tata surya kita, melihat ke luar dunia yang jauh di sekitar bintang lain, dan menyelidiki struktur misterius dan asal usul alam semesta dan tempat kita di dalamnya. Webb adalah program internasional yang dipimpin oleh NASA dengan mitranya ESA (European Space Agency) dan Canadian Space Agency.