Cartographier les structures élémentaires de l’univers et la distribution de la matière noire à l’aide de COSMOS-Webb

L’enquête COSMOS-Webb cartographiera 0,6 degré carré du ciel – environ la zone de trois pleines lunes – à l’aide de l’instrument NIRCam (Near Infrared Camera) du télescope spatial James Webb, tout en cartographiant plus petit 0,2 degré carré en même temps avec le instrument infrarouge Rouge moyen (Miri). Les bords irréguliers du diagramme de champ de Hubble sont dus aux images séparées qui composent le champ de balayage. Crédit : Jeyhan Kartaltepe (RIT) ; Caitlin Casey (Utah, Austin); Anton Kwiquimore (STScI) Conception graphique Crédit : Alyssa Pagan (STScI)

Ce programme ambitieux étudiera un demi-million de galaxies dans un champ de la taille de trois pleines lunes.

Regardant profondément dans une immense parcelle de ciel de la taille de trois pleines lunes, Nasa‘s Télescope spatial James Webb Un programme ambitieux pour étudier un demi-million de galaxies. L’enquête, appelée COSMOS-Webb, est le plus grand projet que Webb entreprendra au cours de sa première année. Avec plus de 200 heures d’observation, il s’appuiera sur des découvertes antérieures pour faire des avancées dans trois domaines d’étude particuliers. Il s’agit notamment de révolutionner notre compréhension de l’ère de la réionisation ; la recherche de galaxies précoces pleinement développées ; Et découvrez comment la matière noire et le contenu stellaire des galaxies ont évolué. Avec une diffusion publique rapide des données, cette enquête constituera un ensemble de données héritées Webb essentiel pour les scientifiques du monde entier qui étudient les galaxies au-delà Voie Lactée.

Champ de cosmos

Cette mer de galaxies est le champ COSMOS original complet de l’Advanced Camera for Surveys (ACS) du télescope spatial Hubble. La mosaïque complète est un composite de 575 images ACS distinctes, chaque image ACS représentant environ un dixième du diamètre de la pleine lune. Les bords irréguliers du contour sont dus aux images séparées qui composent le champ d’enquête. Crédit : Anton Koekemoer (STScI) et Nick Scoville (Caltech)

Lorsque le télescope spatial James Webb de la NASA commencera ses opérations scientifiques en 2022, l’une de ses premières missions sera un programme ambitieux de cartographie des structures les plus anciennes de l’univers. Baptisé COSMOS-Webb, cette étude large et approfondie d’un demi-million de galaxies est le plus grand projet que Webb entreprendra au cours de sa première année.

Avec plus de 200 heures d’observation, COSMOS-Webb balayera une large bande du ciel – 0,6 degré carré – à l’aide de sa caméra proche infrarouge (NIRCam). C’est la taille de trois pleines lunes. En même temps, vous cartographierez une zone plus petite avec l’instrument à infrarouge moyen (MIRI).

Infographie de la réionisation cosmique

Il y a plus de 13 milliards d’années, à l’époque de la réionisation, l’univers était un endroit totalement différent. Le gaz intergalactique était trop opaque pour la lumière énergétique, rendant les jeunes galaxies difficiles à observer. Qu’est-ce qui a permis à l’univers de devenir complètement ionisé ou transparent, ce qui a finalement conduit aux conditions « évidentes » détectées dans la majeure partie de l’univers aujourd’hui ? Le télescope spatial James Webb plongera plus profondément dans l’espace pour recueillir plus d’informations sur les choses qui existaient à l’époque de la réionisation afin de nous aider à comprendre ce changement majeur dans l’histoire de l’univers. Crédit : NASA, ESA et J.Kang (STScI)

C’est une grande étendue de ciel, et c’est tout à fait unique à COSMOS-Webb. Caitlin Casey, professeure agrégée à l’Université du Texas à Austin et co-responsable du programme COSMOS-Webb, a expliqué que la plupart des programmes Webb creusent très profondément, comme des balayages à plume étudiant de petites parcelles de ciel. « Parce que nous couvrons une vaste zone, nous pouvons examiner les structures à grande échelle à l’aube de la formation des galaxies. Nous rechercherons également certaines des galaxies primitives les plus rares, ainsi que la distribution de la matière noire à grande échelle des galaxies. à des temps très anciens.”

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(La matière noire n’absorbe pas, ne réfléchit pas et n’émet pas de lumière, elle ne peut donc pas être vue directement. Nous savons que la matière noire existe en raison de son effet sur les choses que nous pouvons observer.)

COSMOS-Webb étudiera un demi-million de galaxies avec son imagerie multi-bandes, haute résolution, proche infrarouge, et 32 ​​000 sans précédent dans l’infrarouge moyen. Avec la publication rapide des données, cette enquête constituera un ensemble de données héritées Webb essentiel pour les scientifiques du monde entier qui étudient les galaxies en dehors de la Voie lactée.

S’appuyer sur les réalisations de Hubble

L’enquête COSMOS a commencé en 2002 en tant que programme de Hubble pour imager une bande de ciel beaucoup plus large, autour de la zone de 10 pleines lunes. À partir de là, la collaboration a doublé pour inclure la plupart des principaux télescopes mondiaux sur Terre et dans l’espace. Désormais, COSMOS est un balayage multi-longueurs d’onde qui couvre l’ensemble du spectre des rayons X par radio.

De par sa position dans le ciel, le champ COSMOS est accessible aux observatoires du monde entier. Il est situé sur l’équateur céleste et peut être étudié à partir des hémisphères nord et sud, ce qui donne un trésor de données riche et diversifié.

“COSMOS est devenu l’enquête à laquelle de nombreux scientifiques extragalactiques se rendent pour leurs analyses parce que les produits de données sont si largement disponibles et parce qu’ils couvrent une large zone du ciel”, a déclaré Jeyhan Kartaltepe du Rochester Institute of Technology, professeur assistant de physique et co-responsable du programme COSMOS Web. “COSMOS-Webb est le prochain volet de cela, où nous utilisons Webb pour étendre notre couverture dans la partie infrarouge proche et moyen du spectre, donc plus loin de notre horizon, jusqu’où nous pouvons voir.”

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L’ambitieux programme COSMOS-Webb s’appuiera sur les découvertes précédentes pour progresser dans trois domaines d’étude spécifiques, notamment : révolutionner notre compréhension de l’ère de la réionisation ; la recherche de galaxies précoces pleinement développées ; Et découvrez comment la matière noire et le contenu stellaire des galaxies ont évolué.

Objectif 1 : Révolutionner notre compréhension de l’ère de la réionisation

Peu de temps après le Big Bang, l’univers était complètement sombre. Les étoiles et les galaxies, qui baignent l’univers de lumière, ne s’étaient pas encore formées. Au lieu de cela, l’univers consistait en une soupe primordiale d’atomes neutres d’hydrogène et d’hélium et de matière noire invisible. C’est ce qu’on appelle l’âge des ténèbres cosmiques.

Plusieurs centaines de millions d’années plus tard, les premières étoiles et galaxies sont apparues et ont fourni l’énergie nécessaire pour réioniser l’univers primitif. Cette énergie a déchiqueté les atomes d’hydrogène qui remplissaient l’univers, lui donnant une charge électrique et mettant fin aux âges sombres cosmiques. Cette nouvelle ère dans laquelle l’univers a été inondé de lumière est appelée l’ère de la réionisation.

La première cible de COSMOS-Webb se concentre sur cette époque de réionisation, qui s’est produite 400 000 à 1 milliard d’années après le Big Bang. La réionisation est susceptible de se produire dans de petites poches, pas toutes en même temps. COSMOS-Webb recherchera des bulles qui montrent où les premières poches de l’univers primitif se sont réionisées. L’équipe vise à cartographier la taille de ces bulles de réionisation.

“Hubble a fait un excellent travail pour trouver une poignée de ces galaxies jusqu’à un âge précoce, mais nous avons besoin de milliers de galaxies supplémentaires pour comprendre le processus de réionisation”, a expliqué Casey.

Les scientifiques ne savent même pas quel type de galaxies a conduit à l’ère de la réionisation, qu’il s’agisse de systèmes très massifs ou de masse relativement faible. COSMOS-Webb aura la capacité unique de trouver des galaxies massives et extrêmement rares et d’apprendre comment elles sont distribuées dans des structures à grande échelle. Alors, les galaxies responsables de la réionisation vivent-elles dans l’équivalent d’une ville cosmique, ou sont-elles pour la plupart uniformément réparties dans l’espace ? Seule une enquête de la taille de COSMOS-Webb peut aider les scientifiques à répondre à cette question.

Objectif 2 : Recherche de galaxies pleinement évoluées

COSMOS-Webb recherchera des galaxies très précoces et pleinement développées qui ont stoppé la naissance des étoiles au cours des 2 premiers milliards d’années après le Big Bang. Hubble a trouvé une poignée de ces galaxies, qui remettent en question les modèles existants sur la formation de l’univers. Les scientifiques ont du mal à expliquer comment ces galaxies pourraient contenir de vieilles étoiles et ne pas former de nouvelles étoiles si tôt dans l’histoire de l’univers.

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Grâce à une vaste étude comme COSMOS-Webb, l’équipe trouvera bon nombre de ces galaxies rares. Ils prévoient des études détaillées de ces galaxies pour comprendre comment elles pourraient évoluer si rapidement et arrêter la formation d’étoiles si tôt.

Objectif 3 : Apprendre comment la matière noire a évolué en utilisant le contenu stellaire des galaxies

COSMOS-Webb donnera aux scientifiques un aperçu de l’évolution de la matière noire dans les galaxies avec le contenu stellaire des galaxies au cours de la vie de l’univers.

Les galaxies sont constituées de deux types de matière : la matière ordinaire et lumineuse que nous voyons dans les étoiles et autres choses, et la matière noire invisible, qui est souvent plus massive qu’une galaxie et peut l’entourer d’un halo étendu. Ces deux types de matière sont étroitement liés dans la formation et l’évolution des galaxies. Cependant, à l’heure actuelle, il n’y a pas beaucoup de connaissances sur la façon dont la masse de matière noire se forme dans les halos des galaxies, et comment cette matière noire affecte la formation des galaxies.

COSMOS-Webb mettra en évidence ce processus en permettant aux scientifiques de mesurer les halos de matière noire directement à travers une « lentille faible ». La gravité de tout type de masse – qu’elle soit sombre ou lumineuse – peut agir comme une lentille pour “courber” la lumière que nous voyons des galaxies lointaines. La faiblesse de la lentille déforme la forme apparente des galaxies d’arrière-plan. Ainsi, lorsque le halo se trouve devant d’autres galaxies, les scientifiques peuvent mesurer directement la masse de matière noire dans le halo.

a déclaré Anton Quikmore, membre de l’équipe, astronome chercheur au Space Telescope Science Institute de Baltimore, qui a aidé à concevoir la stratégie d’observation du programme et est responsable de la création de toutes les images du programme. “C’est une époque critique pour nous d’essayer de comprendre comment la masse des galaxies s’est d’abord formée et comment elle a été déplacée par des halos de matière noire. Et cela pourrait indirectement alimenter notre compréhension de la formation des galaxies.”

Partagez rapidement des données avec la communauté

COSMOS-Webb est un logiciel de trésorerie, qui par définition est conçu pour créer des ensembles de données d’une valeur scientifique durable. Les programmes de trésorerie cherchent à résoudre de nombreux problèmes scientifiques à l’aide d’un ensemble de données unique et cohérent. Les données recueillies dans le cadre du programme du Trésor n’ont généralement pas de période d’accès exclusif, ce qui permet une analyse immédiate par d’autres chercheurs.

« En tant que programme de coffre-fort, vous vous engagez à diffuser rapidement vos données et produits de données à la communauté », a expliqué Kartaltepe. “Nous allons produire cette ressource communautaire et la rendre accessible au public afin que le reste de la communauté puisse l’utiliser dans ses analyses scientifiques.”

Koekemoer a ajouté : « Le programme de trésorerie s’engage à rendre tous ces produits scientifiques accessibles au public afin que n’importe qui dans la communauté, même les très petites organisations, puisse avoir le même accès égal aux produits de données et ensuite faire de la science. »

COSMOS-Webb est un programme pour les observateurs généraux du premier cycle. Les programmes d’observateurs généraux ont été sélectionnés de manière compétitive à l’aide d’un système de double examen anonyme, le même système utilisé pour allouer du temps sur Hubble.

Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regardera au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sondera les structures et les origines mystérieuses de l’univers et notre place là-dedans. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.

Jacinthe Poulin

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