Jeśli chodzi o pierwsze galaktyki, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba spróbuje zrozumieć powstawanie tych galaktyk i ich związek z leżącą u ich podstaw ciemną materią. Studiując galaktyki - a zwłaszcza ich powstawanie - możemy uzyskać wskazówki, jak działa ciemna materia. Przynajmniej taka jest nadzieja. Okazuje się, że astronomia jest nieco bardziej skomplikowana, a jedną z głównych rzeczy, z którymi musimy się zmierzyć podczas badania tych odległych galaktyk, jest pył. Dużo pyłu.
Zgadza się: dobry staromodny pył. A dzięki fantazyjnym symulacjom zaczynamy wyjaśniać obraz.
Niech stanie się światłość
Galaktyki po raz pierwszy zaczęły się formować dość dawno temu, zaledwie kilkaset milionów lat w historii naszego wszechświata. Ale do tej pory nie mamy bezpośrednich zdjęć tych pierwszych galaktyk. Są po prostu zbyt daleko, aby ich światło nie mogło nas dosięgnąć bez masywnego teleskopu. Co więcej, ponieważ są tak odległe, a wszechświat rozszerzył się od czasu emisji ich światła, nie świecą już w świetle widzialnym. Ich światło zostało przesunięte na czerwono do spektrum podczerwieni. Aby mieć jakąkolwiek szansę na zmapowanie tych galaktyk dla niemowląt, potrzebujemy dużego teleskopu na podczerwień. Wpisz James Webb.
James Webb nie jest narzędziem ankietowym; nie odwzoruje niewiarygodnie dużej objętości wszechświata. Ale z pewnością da nam portrety tego, jaki był wszechświat ponad 13 miliardów lat temu, a zwłaszcza jakie były te młode galaktyki. Struktura i skład tych galaktyk zależy od leżącej pod nimi ciemnej materii. Wszystko, od ilości ciemnej materii, z czego jest zbudowana i od tego, jak postanawia się zgrupować, wpływa na powstawanie galaktyk. Te (obecnie nieznane) właściwości ciemnej materii zmieniają liczbę galaktyk, ich jasność, a nawet rodzaje gwiazd, które one utrzymują.
Jednak ten związek między galaktykami i ciemną materią jest tak naprawdę rozumiany tylko w symulacjach. To dlatego, że nie mamy wielu bezpośrednich obserwacji ciemnej materii (tak jakby sama nazwa nie dawała pojęcia). Krótko mówiąc, nie do końca rozumiemy, czym jest ciemna materia. Czasami więc musimy zgadywać i umieszczamy te domysły w komputerowej symulacji wzrostu wszechświata i widzimy, jak normalna materia, jak gwiazdy, gaz i pył, reagują na to i tworzą galaktyki.
Niech będzie pył
Porównując rzeczywiste obrazy i statystyki galaktyk ujawnione przez Jamesa Webba z naszymi różnymi symulacjami, mamy nadzieję znaleźć najlepsze dopasowanie i wybrać, który model ciemnej materii jest najdokładniejszy. Stamtąd możemy dowiedzieć się jeszcze więcej o wszechświecie, jak polowanie na egzotyczne modele grawitacji lub nawet uzyskanie wskazówek co do tajemniczej natury ciemnej energii (co jest całkowicie osobnym artykułem).
Brzmi prosto, ale tak nie jest. Obserwacje we wszechświecie są bardzo niechlujne, skomplikowane i generalnie bardzo trudne, ponieważ w naszym wszechświecie jest znacznie więcej niż tylko gwiazdy, galaktyki i ciemna materia oraz Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Jest też kurz. Dużo tego.
Pył składa się ze sznurów węgla i tlenu i więcej, wirujących i wirujących w galaktykach, wokół galaktyk i między galaktykami. Okazuje się, że przestrzeń międzygalaktyczna to dość niechlujne miejsce. Jest tylko pył. I pył miesza się ze światłem.
Kiedy światło z odległych galaktyk przechodzi przez miliardy miliardów lat świetlnych, aby dotrzeć do Jamesa Webba, przecina dużo pyłu. Ten pył rozproszy go, osłabi, a także przesunie na czerwono. Innymi słowy, jeśli staramy się zrozumieć, jak wyglądają te młode galaktyki, możemy je zobaczyć tylko przez mglistą mgłę. Nie mamy więc - i nigdy nie uzyskamy - bezpośrednich wyraźnych obrazów wczesnego wszechświata.
Jeszcze raz symulacje na ratunek.
Przykład ilustrujący
Ale tym razem symulacje mają dodatkową pomoc. Mają rzeczywiste dane na żywo do pracy. Nie dane z wczesnego wszechświata (bo jeszcze tego nie mamy), ale dane z pobliskiego wszechświata. Zbudowaliśmy mapy i obserwacje oraz w absurdalny sposób zbadaliśmy właściwości pyłu między galaktykami w naszej lokalnej plamie kosmosu. Dane te są następnie włączane do symulacji wczesnego wszechświata, aby spróbować dokonać jak najdokładniejszych prognoz na temat tego, co faktycznie zobaczy James Webb.
To tak, jakby pobierać próbki mgły wokół ciebie, aby spróbować zrozumieć, jak naprawdę wygląda daleka latarnia morska.
Ostatnio zespół naukowców opublikował wyniki z zestawu symulacji o nazwie Illustris. Jak sama nazwa wskazuje, symulacje te są niezwykle wyrafinowane i obejmują nie tylko ciemną materię i tworzenie się galaktyk, ale nawet symulację światła emitowanego przez te galaktyki, gdy przechodzi przez miliardy lat świetlnych pyłu i przechodzi w coś podobnego do Jamesa Webba.
Kluczowym celem symulacji było przewidzenie tego, co James Webb zobaczy w tym, co astronomowie nazywają funkcją jasności galaktyki. To tylko fantazyjny sposób powiedzenia, ile galaktyk na każdym poziomie jasności będzie widocznych: ile naprawdę jasnych, ile średnio jasnych, ile ciemnych i tak dalej. Na funkcję jasności galaktyki wpływ mają właściwości ciemnej materii: na przykład, jeśli ciemna materia czuje się wyjątkowo zlepiona, wówczas nasz wszechświat będzie miał więcej jasnych galaktyk, co zmieni tę funkcję jasności.
Ale na samą funkcję jasności ma również wpływ pył, ponieważ pył zmienia całe światło emitowane ze wszystkich galaktyk. Te symulacje są jednymi z pierwszych prób dostarczenia kompleksowego obrazu łączącego to, co zobaczy James Webb (innymi słowy, jakie będą dane) z podstawową fizyką formowania ciemnej materii i galaktyki.
Oczywiście to tylko pierwszy krok; symulacje te obejmują wiele założeń i domysłów opartych na bieżących obserwacjach. Ale jestem pewien, że zanim James Webb faktycznie poleci, będziemy mieli o wiele więcej danych i znacznie więcej symulacji.
Czytaj więcej: „Prognozy JWST o dużym przesunięciu ku czerwieni z IllustrisTNG: Modelowanie pyłu i funkcje świetlne galaktyki”
