Estudio de las primeras estructuras del universo con COSMOS-Webb

Con más de 200 horas de tiempo de observación, COSMOS-Webb inspeccionará una gran parte del cielo (0,6 grados cuadrados) con la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam). Simultáneamente, mapeará un área más pequeña con el Instrumento de infrarrojos medios (MIRI).

“Es una gran porción de cielo, que será bastante exclusiva del programa COSMOS-Webb. La mayoría de los programas de Webb observarán muy profundamente”, explicó Caitlin Casey, profesora asistente de la Universidad de Texas en Austin y colíder del programa COSMOS-Webb. “Al cubrir un área tan grande, podremos observar estructuras a gran escala, en los albores de la formación de galaxias. También buscaremos algunas de las galaxias más raras que existieron al principio, y estudiaremos la distribución de la materia oscura de las galaxias hasta tiempos muy tempranos de su formación”.

(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 en el infrarrojo cercano de alta resolución y multibanda, y 32.000 galaxias en el infrarrojo medio. Con una rápida difusión de los datos, este estudio será un conjunto de información sin precedentes, para los científicos de todo el mundo que estudian galaxias más allá de la Vía Láctea.

Aprovechando los logros de Hubble 

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

Este mar de galaxias es el campo COSMOS original y completo de la Advanced Camera for Surveys (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 del estudio.
Créditos: Anton Koekemoer (STScI) y Nick Scoville (Caltech).
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 lo condujo a las condiciones “claras” detectadas en gran parte del universo hoy en día? El telescopio espacial James Webb se adentrará profundamente en 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.
Créditos: NASA, ESA, Joyce Kang (STScI).

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 desde el hemisferio norte como desde el sur, lo que resultará en un tesoro rico en datos y diverso.

“COSMOS se ha convertido en el estudio al que acuden muchos científicos que realizan análisis extragalácticos porque los datos están muy disponibles y cubre un área muy amplia del cielo”, dijo Jeyhan Kartaltepe del Instituto de Tecnología de Rochester, profesor asistente de física y codirector del programa COSMOS-Webb. “COSMOS-Webb es el siguiente paso, donde usaremos Webb para extender nuestra cobertura en la parte del infrarrojo cercano y medio del espectro y, por lo tanto, ampliar nuestro horizonte, tan lejos como lo podamos ver”.

El ambicioso programa COSMOS-Webb se basará en descubrimientos previos para lograr avances en tres áreas de estudio particulares, que son:

Objetivo 1: Revolucionar nuestra comprensión de la Era de la Reionización

Poco 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 desgarró los átomos de hidrógeno que llenaban el universo, dándoles una carga eléctrica y poniendo fin a las edades oscuras cósmicas. 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 tuvo lugar entre 400.000 y 1.000 millones de años después del Big Bang. La reionización probablemente ocurrió en pequeños cúmulos, no todo 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 ha hecho un gran trabajo al encontrar un grupo de estas galaxias, pero necesitamos miles de galaxias más para comprender el proceso de reionización”, explicó Casey. Los científicos ni siquiera saben qué tipo de galaxias marcaron el comienzo de la Era de la Reionización, si son sistemas muy masivos o de masa relativamente baja. COSMOS-Webb tendrá una capacidad única para encontrar galaxias raras y muy masivas y ver cómo es su distribución en estructuras a gran escala. Entonces, ¿las galaxias responsables de la reionización viven en el equivalente a una metrópoli cósmica, o están distribuidas en su mayoría de manera uniforme en el espacio? Solo un estudio del tamaño de COSMOS-Webb puede ayudar a los científicos a responder a esta pregunta.

Objetivo 2: Buscar galaxias tempranas 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 grupo de estas galaxias, que desafían los modelos existentes sobre cómo se formó el universo. Los científicos luchan por explicar cómo estas galaxias podrían tener estrellas viejas y no haber estado formando estrellas nuevas tan temprano en la historia del universo.

Con un gran estudio como COSMOS-Webb, el equipo encontrará muchas de estas extrañas galaxias. Planean estudios detallados de estas galaxias para comprender cómo pudieron haber evolucionado tan rápidamente y haber desactivado la formación de estrellas tan temprano.

Objetivo 3: aprender cómo evolucionó la materia oscura con el contenido estelar de las galaxias

COSMOS-Webb dará a los científicos una idea de cómo ha evolucionado 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 además de otros objetos, y materia oscura invisible, que a menudo es más masiva que la galaxia y puede rodearla en un halo extendido. Esos dos tipos de materia están entrelazados en la formación y evolución de las galaxias. Sin embargo, actualmente no hay mucho conocimiento sobre cómo se formó la masa de materia oscura en los halos de las galaxias y cómo esa materia oscura impacta en la formación de las galaxias.

COSMOS-Webb arrojará luz sobre este proceso al permitir que los científicos midan directamente estos halos de materia oscura a través de “lentes débiles”. La gravedad de cualquier tipo de masa, ya sea oscura o luminosa, puede servir como una lente para “doblar” la luz que vemos de 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 la materia oscura del halo.

“Por primera vez, podremos medir la relación entre la masa de materia oscura y la masa luminosa de las galaxias hasta los primeros 2 mil millones de años del tiempo cósmico”, dijo el miembro del equipo Anton Koekemoer, un astrónomo investigador del Space Telescope Science Institute en Baltimore, quien ayudó a diseñar la estrategia de observación del programa y está a cargo de construir todas las imágenes del programa. “Esa es una época crucial para que intentemos comprender cómo se distribuyó por primera vez la masa de las galaxias y cómo fue impulsado por los halos de materia oscura. Y eso puede alimentar indirectamente nuestra comprensión de la formación de galaxias”.

Compartir 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 concentran en resolver múltiples problemas científicos con un único conjunto de datos coherente. Los datos tomados 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, se compromete a entregar rápidamente sus datos y sus 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 análisis científicos”.

Koekemoer agregó: “Un Programa de Tesorería se compromete a poner a disposición del público todos estos productos científicos para que cualquier persona de la comunidad, incluso en instituciones muy pequeñas, pueda tener el mismo acceso a los productos de datos y luego, simplemente, hacer la ciencia”.

COSMOS-Webb es un programa de General Observers del Ciclo 1. Los programas de General Observers se seleccionaron de manera competitiva utilizando un sistema de revisión anónimo dual, el mismo sistema que se usa para asignar tiempo del Hubble.

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

Noticia original (en inglés)

Edición: R. Castro.