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 pour cartographier les premières structures de l'univers. Appelé COSMOS-Webb, cette étude large et profonde 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).

"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 relevés au crayon qui étudient de minuscules parcelles de ciel, " a expliqué Caitlin Casey, professeur assistant 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 chercherons également certaines des galaxies les plus rares qui existaient au début, ainsi que de cartographier la distribution de la matière noire à grande échelle des galaxies jusqu'à des temps très anciens."

(La matière noire n'absorbe pas, réfléchir, ou émettre de la lumière, il ne peut donc pas être vu 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 des multi-bandes, haute résolution, imagerie proche infrarouge, et un 32 sans précédent, 000 galaxies dans l'infrarouge moyen. 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.

S'appuyer sur les réalisations de Hubble

Le levé COSMOS a commencé en 2002 en tant que programme Hubble pour imager une parcelle de ciel beaucoup plus grande, environ la zone de 10 pleines lunes. De là, la collaboration a fait boule de neige pour inclure la plupart des grands 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.

En raison de sa position 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, résultant en 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'il couvre une si vaste zone du ciel, " a déclaré Jeyhan Kartaltepe du Rochester Institute of Technology, 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 COSMOS-Webb s'appuiera sur les découvertes précédentes pour faire des progrès dans trois domaines d'étude particuliers, notamment :révolutionner notre compréhension de l'ère de la réionisation ; chercher tôt, galaxies complètement 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 obscur. Étoiles et galaxies, qui baignent le cosmos de lumière, n'était pas encore formé. Au lieu, 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 s'appelle l'ère de la réionisation.

Le premier objectif de COSMOS-Webb se concentre sur cette époque de réionisation, qui a eu lieu à partir de 400, 000 à 1 milliard d'années après le big bang. La réionisation s'est probablement produite dans de petites poches, Pas tout à la fois. 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, " expliqua Casey.

Les scientifiques ne savent même pas quel genre 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 très massifs, galaxies rares et voir à quoi ressemble leur distribution dans des structures à grande échelle. Donc, sont les galaxies responsables de la réionisation vivant dans l'équivalent d'une métropole cosmique, ou sont-ils pour la plupart uniformément répartis dans l'espace ? Seule une enquête de la taille de COSMOS-Webb peut aider les scientifiques à y répondre.

Objectif 2 :Rechercher tôt, galaxies complètement évoluées

COSMOS-Webb recherchera très tôt, galaxies complètement évoluées qui ont arrêté 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 enquête 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 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 :normale, matière lumineuse 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, actuellement, il n'y a pas beaucoup de connaissances sur la formation de la masse de matière noire dans les halos des galaxies, et comment cette matière noire a un impact 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 "courber" la lumière que nous voyons des galaxies plus éloignées. Une lentille faible déforme la forme apparente des galaxies d'arrière-plan, alors quand 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 pourrons 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 au Space Telescope Science Institute de Baltimore, qui a aidé à concevoir la stratégie d'observation du programme et est en charge de la construction de toutes les images du programme. "C'est une époque cruciale pour nous d'essayer de comprendre comment la masse des galaxies s'est d'abord mise en place, 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 de trésorerie, 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, permettant 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 tout membre de la communauté, même dans de très petites institutions, peut avoir le même, un accès égal aux produits de données et ensuite faire simplement la science."

COSMOS-Webb est un programme d'Observateurs Généraux du Cycle 1. Les programmes d'observateurs généraux ont été sélectionnés de manière concurrentielle 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, regarder au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles, et sonder les structures et les origines mystérieuses de notre univers et notre place dans celui-ci. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.