Cartographier les premières structures de l’univers et la distribution de la matière noire avec COSMOS-Webb

Enquête 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 simultanément un plus petit 0,2 degré carré avec l’instrument Mid Infrared ( MIRI). Les bords irréguliers du contour du champ Hubble sont dus aux images séparées qui composent le champ d’enquête. Crédit : Jeyhan Kartaltepe (RIT) ; Caitlin Casey (UT Austin); et Anton Koekemoer (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 étendue de ciel de la taille de trois pleines lunes, Nasa‘s Télescope spatial James Webb entreprendra un programme ambitieux pour étudier un demi-million de galaxies. Appelée COSMOS-Webb, cette enquête 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 les découvertes précédentes pour faire des progrès dans trois domaines d’étude particuliers. Il s’agit notamment de révolutionner notre compréhension de l’ère de la réionisation ; à la recherche de galaxies précoces et pleinement évoluées ; et apprendre comment la matière noire a évolué avec le contenu stellaire des galaxies. Avec sa diffusion publique rapide des données, cette enquête sera un ensemble de données héritées de Webb pour les scientifiques du monde entier qui étudient les galaxies au-delà de la voie Lactée.

Champ COSMOS

Cette mer de galaxies est le champ COSMOS complet et original 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 tâches sera un programme ambitieux visant à cartographier les premières structures de l’univers. Appelé 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 étudiera une grande partie du ciel (0,6 degré carré) avec la caméra proche infrarouge (NIRCam). C’est la taille de trois pleines lunes. Il cartographiera simultanément 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, pendant l’ère de la réionisation, l’univers était un endroit très différent. Le gaz entre les galaxies était en grande partie opaque à la lumière énergétique, ce qui rendait difficile l’observation des jeunes galaxies. Qu’est-ce qui a permis à l’univers de devenir complètement ionisé ou transparent, menant finalement aux conditions « claires » détectées dans une grande partie de l’univers aujourd’hui ? Le télescope spatial James Webb scrutera profondément dans l’espace pour recueillir plus d’informations sur les objets qui existaient pendant l’ère de la réionisation afin de nous aider à comprendre cette transition majeure dans l’histoire de l’univers. Crédit : NASA, ESA et J. Kang (STScI)

C’est un gros morceau de ciel, ce qui est assez unique au programme COSMOS-Webb. La plupart des programmes Webb forent très profondément, comme des levés au crayon qui étudient de minuscules parcelles de ciel », a expliqué Caitlin Casey, professeure adjointe à l’Université du Texas à Austin et co-responsable du programme COSMOS-Webb. « Parce que nous couvrons une zone si vaste, nous pouvons observer des structures à grande échelle à l’aube de la formation des galaxies. Nous rechercherons également certaines des galaxies les plus rares qui ont existé très tôt, ainsi que la distribution de la matière noire à grande échelle des galaxies jusqu’à des temps très anciens. »

(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 l’effet qu’elle a sur les objets que nous pouvons observer.)

COSMOS-Webb étudiera un demi-million de galaxies avec une imagerie multibande, haute résolution, proche infrarouge, et 32 ​​000 galaxies sans précédent dans l’infrarouge moyen. Avec sa publication publique rapide des données, cette enquête sera un ensemble de données héritées de Webb pour les scientifiques du monde entier qui étudient les galaxies au-delà de la Voie lactée.

S’appuyer sur les réalisations de Hubble

Le levé COSMOS a commencé en 2002 en tant que programme Hubble pour imager une zone de ciel beaucoup plus grande, de l’ordre de 10 pleines lunes. À partir de là, la collaboration a fait boule de neige pour inclure la plupart des principaux télescopes du monde sur Terre et dans l’espace. Désormais, COSMOS est un levé multi-longueurs d’onde qui couvre l’ensemble du spectre, des rayons X à la radio.

De par sa situation dans le ciel, le champ COSMOS est accessible aux observatoires du monde entier. Situé sur l’équateur céleste, il 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 effectuer leurs analyses, car les produits de données sont si largement disponibles et parce qu’ils couvrent une si vaste zone du ciel », a déclaré Jeyhan Kartaltepe de l’Institut de technologie de Rochester, professeur assistant de physique et co-responsable du programme COSMOS-Webb. “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, et donc repousser notre horizon, à quelle distance nous pouvons voir . ”

L’ambitieux programme COSMOS-Webb s’appuiera sur des découvertes antérieures pour faire des progrès dans trois domaines d’étude particuliers, notamment : révolutionner notre compréhension de l’ère de la réionisation ; à la recherche de galaxies précoces et pleinement évoluées ; et apprendre comment la matière noire a évolué avec le contenu stellaire des galaxies.

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 le cosmos 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.

Après plusieurs centaines de millions d’années, les premières étoiles et galaxies ont émergé et ont fourni de l’énergie pour réioniser l’univers primitif. Cette énergie a déchiré les atomes d’hydrogène qui remplissaient l’univers, leur donnant une charge électrique et mettant fin aux âges sombres cosmiques. Cette nouvelle ère où l’univers a été inondé de lumière est appelée l’ère de la réionisation.

Le premier objectif de COSMOS-Webb se concentre sur cette époque de réionisation, qui s’est déroulée de 400 000 à 1 milliard d’années après le big bang. La réionisation s’est probablement produite dans de petites poches, pas toutes en même temps. COSMOS-Webb recherchera des bulles montrant où les premières poches de l’univers primitif ont été réionisées. L’équipe vise à cartographier l’échelle de ces bulles de réionisation.

“Hubble a fait un excellent travail pour trouver des poignées de ces galaxies jusqu’aux premiers temps, 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 inauguré l’ère de la réionisation, qu’il s’agisse de systèmes très massifs ou de masse relativement faible. COSMOS-Webb aura une capacité unique à trouver des galaxies rares très massives et à voir à quoi ressemble leur distribution dans des structures à grande échelle. Alors, les galaxies responsables de la réionisation vivent-elles dans l’équivalent d’une métropole 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 y répondre.

Objectif 2 : À la recherche de galaxies précoces et entièrement évoluées

COSMOS-Webb recherchera des galaxies très précoces et pleinement évoluées qui arrêteront 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 avoir de vieilles étoiles et ne pas former de nouvelles étoiles si tôt dans l’histoire de l’univers.

Avec une grande 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 ont pu évoluer si rapidement et arrêter la formation d’étoiles si tôt.

Objectif 3 : Apprendre comment la matière noire a évolué avec le contenu stellaire de 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 lumineuse normale que nous voyons dans les étoiles et autres objets, et la matière noire invisible, qui est souvent plus massive que la 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 dans les halos des galaxies s’est formée et sur l’impact de cette matière noire sur la formation des galaxies.

COSMOS-Webb fera la lumière sur ce processus en permettant aux scientifiques de mesurer directement ces halos de matière noire grâce à une « lentille faible ». La gravité de n’importe quel type de masse, qu’elle soit sombre ou lumineuse, peut servir de lentille pour « infléchir » la lumière que nous voyons des galaxies plus éloignées. Une lentille faible déforme la forme apparente des galaxies d’arrière-plan. Ainsi, lorsqu’un halo est situé devant d’autres galaxies, les scientifiques peuvent mesurer directement la masse de la matière noire du halo.

“Pour la première fois, nous serons en mesure de mesurer la relation entre la masse de matière noire et la masse lumineuse des galaxies depuis les 2 premiers milliards d’années du temps cosmique”, a déclaré Anton Koekemoer, membre de l’équipe, astronome chercheur à l’Espace Telescope Science Institute à Baltimore, qui a aidé à concevoir la stratégie d’observation du programme et est chargé de construire toutes les images du programme. « C’est une époque cruciale pour nous d’essayer de comprendre comment la masse des galaxies s’est mise en place pour la première fois et comment cela est entraîné par les halos de matière noire. Et cela peut ensuite alimenter indirectement notre compréhension de la formation des galaxies. »

Partage rapide des données avec la communauté

COSMOS-Webb est un programme du Trésor, qui par définition est conçu pour créer des ensembles de données d’une valeur scientifique durable. Les programmes de trésorerie s’efforcent de résoudre de multiples problèmes scientifiques avec un seul ensemble de données cohérent. Les données recueillies dans le cadre d’un programme de trésorerie n’ont généralement pas de période d’accès exclusif, ce qui permet une analyse immédiate par d’autres chercheurs.

« En tant que programme de trésorerie, vous vous engagez à diffuser rapidement vos données et vos 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 : « Un programme de trésorerie s’engage à rendre accessibles au public tous ces produits scientifiques afin que n’importe qui dans la communauté, même dans les très petites institutions, puisse avoir le même accès égal aux produits de données et ensuite simplement faire la science.

COSMOS-Webb est un programme d’Observateurs Généraux du Cycle 1. Les programmes des observateurs généraux ont été sélectionnés de manière compétitive à l’aide d’un système d’examen à double anonymat, le même système qui est 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 notre univers et de notre place dedans. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.

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