Quando il James Webb Space Telescope della NASA inizierà le operazioni nel 2022, uno dei suoi primi compiti sarà mappare le prime strutture dell’universo. Chiamata COSMOS-Webb, questa analisi ampia di mezzo milione di galassie, è il più grande progetto che il telescopio intraprenderà durante il suo primo anno. Con oltre 200 ore di osservazione, COSMOS-Webb rileverà un’ampia porzione di cielo, 0.6 gradi quadrati, la dimensione di 3 Lune piene, con la Near-Infrared Camera (NIRcam). Inoltre mapperà simultaneamente un’area più piccola con il Mid-Infrared Instrument (MIRI).
“Vogliamo coprire un area ampia, per guardare strutture agli albori della formazione delle galassie. Cercheremo anche alcune delle galassie più rare che esistevano all’inizio, oltre a mappare la distribuzione della materia oscura su larga scala” ha spiegato Caitlin Casey, assistente professore all’Università del Texas ad Austin e co-leader del programma COSMOS-Webb.
COSMOS-Webb studierà mezzo milione di galassie con NIRcam e 32.000 galassie nel medio infrarosso, MIRI. Con il suo rapido rilascio pubblico dei dati, questo ricerca sarà un set di dati per tutti gli scienziati che studiano le galassie oltre la Via Lattea.
Da COSMOS-Hubble a COSMOS-Webb
L’indagine COSMOS è iniziata nel 2002 come programma di Hubble per l’immagine di una porzione di cielo molto più ampia, circa l’area di 10 lune piene. Da lì, la collaborazione è cresciuta fino a includere la maggior parte dei principali telescopi sulla Terra e nello spazio. Il campo COSMOS è accessibile agli osservatori di tutto il mondo. Situato sull’equatore celeste, può essere studiato sia dall’emisfero settentrionale che da quello meridionale, risultando in un ricco e diversificato tesoro di dati.
“COSMOS è diventato il punto di riferimento a cui si rivolgono molti scienziati extragalattici per condurre le loro analisi. I dati prodotti sono ampiamente disponibili e coprono un’area ampia del cielo. COSMOS-Webb è la prossima puntata di questo progetto. Utilizzeremo James-Webb per estendere la nostra copertura nella parte del vicino e medio infrarosso dello spettro, e quindi spingeremo il nostro orizzonte come non abbiamo mai fatto fin ora.” ha affermato Jeyhan Kartaltepe del Rochester Institute of Technology, co-leader del programma COSMOS-Webb.
Il programma COSMOS-Webb si baserà su scoperte passate per progredire in tre particolari aree di studio: rivoluzionare la nostra comprensione dell’era della reionizzazione; la ricerca di galassie precoci e completamente evolute; imparare come la materia oscura si è evoluta con il contenuto stellare delle galassie.
L’era della reionizzazione
Subito dopo il Big Bang, l’universo era completamente buio. Le stelle e le galassie, che illuminano il cosmo, non si erano ancora formate. L’universo quindi consisteva in un brodo primordiale di atomi neutri di idrogeno ed elio e materia oscura invisibile. Questa è chiamata l’era oscura. Dopo centinaia di milioni di anni, sono emerse le prime stelle e galassie che hanno fornito l’energia per reionizzare l’universo primordiale. Questa energia ha a fornito una carica elettrica agli atomi di idrogeno ponendo fine all’era oscura. Questa nuova era, in cui l’universo è stato inondato di luce è chiamata l’era della reionizzazione.
Il primo obiettivo di COSMOS-Webb si concentrerà su questa epoca di reionizzazione, avvenuta da 400.000 a 1 miliardo di anni dopo il big bang. La reionizzazione probabilmente è avvenuta in piccole tasche, non tutte in una volta. COSMOS-Webb cercherà le bolle che mostrano dove sono state reionizzate le prime sacche dell’universo primordiale. “Hubble ha fatto un ottimo lavoro nel trovare manciate di queste galassie, ma abbiamo bisogno di altre migliaia di galassie per comprendere il processo di reionizzazione”, ha spiegato Caitlin Casey.
Gli scienziati non sanno nemmeno che tipo di galassie ha inaugurato l’era della reionizzazione, se sono sistemi molto massicci o di massa relativamente bassa. COSMOS-Webb avrà la capacità unica di trovare galassie rare e vedere come sono distribuite su larga scala. Quindi, le galassie responsabili della reionizzazione vivono nell’equivalente di una metropoli cosmica o sono per lo più distribuite uniformemente nello spazio? Solo le rilevazioni di COSMOS-Webb può aiutare gli scienziati a rispondere a questa domanda.
Galassie precoci completamente evolute
COSMOS-Webb cercherà galassie molto precoci e completamente evolute che interrompono la nascita delle stelle nei primi 2 miliardi di anni dopo il Big Bang. Hubble ha trovato una manciata di queste galassie, che sfidano i modelli esistenti su come si è formato l’universo. Gli scienziati faticano a spiegare come queste galassie possano avere stelle vecchie agli albori della storia dell’universo.
Con l’ampia rilevazione di COSMOS-Webb, il team troverà molte di queste rare galassie. Con studi dettagliati di queste galassie capiremo come hanno potuto evolversi così rapidamente e spegnere la formazione stellare così presto.
L’evoluzione della materia oscura grazie a COSMOS-Webb
COSMOS-Webb fornirà agli scienziati informazioni su come la materia oscura nelle galassie si è evoluta con il contenuto stellare delle galassie nel corso della vita dell’universo. Le galassie sono costituite da due tipi di materia: la materia normale e luminosa che vediamo nelle stelle e la materia oscura invisibile. La seconda è più massiccia e può circondare la galassia in un alone esteso. Questi due tipi di materia, sono intrecciati nella formazione e nell’evoluzione delle galassie. Tuttavia, attualmente non c’è molta conoscenza su come si sia formata la massa di materia oscura negli aloni delle galassie e su come quella materia oscura influisca sulla formazione delle galassie.
COSMOS-Webb farà luce su questo processo consentendo agli scienziati di misurare direttamente questi aloni di materia oscura attraverso “lenti deboli“. La gravità di qualsiasi tipo di massa, scura o luminosa che sia, può fungere da lente per “piegare” la luce che vediamo dalle galassie più lontane. Le lenti deboli distorcono la forma apparente delle galassie sullo sfondo, quindi quando un alone si trova di fronte ad altre galassie, gli scienziati possono misurare direttamente la massa della materia oscura.
“Per la prima volta, saremo in grado di misurare la relazione tra la massa della materia oscura e la massa luminosa delle galassie fino ai primi 2 miliardi di anni del tempo cosmico“, ha affermato il membro del team Anton Koekemoer. “Questa è un’epoca cruciale per cercare di capire come la massa delle galassie è stata messa in atto per la prima volta e come è guidata dalla materia oscura. E questo può quindi alimentare indirettamente la nostra comprensione della formazione delle galassie” ha aggiunto.
Il James Webb Space Telescope sarà quindi il principale osservatorio di scienze spaziali al mondo quando verrà lanciato nel 2021. Webb risolverà i misteri nel nostro sistema solare, guarderà oltre i mondi lontani intorno ad altre stelle e con il programma COSMOS-Webb sonderà le misteriose strutture e origini del nostro universo. Webb è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner, ESA (European Space Agency) e Canadian Space Agency (CSA).
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