Când vine vorba de primele galaxii, Telescopul spațial James Webb va încerca să înțeleagă formarea acestor galaxii și legătura lor cu materia întunecată de bază. Așadar, studiind galaxiile - și mai ales formarea lor - putem obține câteva indicii despre modul în care funcționează materia întunecată. Cel puțin, asta este speranța. Se dovedește că astronomia este puțin mai complicată decât asta, iar una dintre lucrurile majore cu care trebuie să ne ocupăm atunci când studiem aceste galaxii îndepărtate este praful. Multă praf.
Așa este: praf bun de modă veche. Și datorită unor simulări de lux, începem să clarificăm imaginea.
Să fie lumină
Galaxiile au început pentru prima dată să se formeze cu destul de mult timp în urmă, la doar câteva sute de milioane de ani în istoria universului nostru. Dar până acum nu avem imagini directe ale primelor galaxii. Pur și simplu sunt prea departe pentru ca lumina lor să ne ajungă fără un telescop masiv. Ba mai mult, pentru că sunt atât de îndepărtate și universul s-a extins de când a fost emisă lumina lor, nu mai strălucesc în lumina vizibilă. Lumina lor a fost redusă spre spectrul infraroșu. Așadar, pentru a avea vreo șansă la cartografierea acestor galaxii infantile, avem nevoie de un telescop cu infraroșu mare. Intrați pe James Webb.
James Webb nu este un instrument de sondaj; nu va cartografia un volum incredibil de mare al universului. Dar cu siguranță ne va oferi câteva portrete despre cum a fost universul în urmă cu peste 13 miliarde de ani și mai ales cum erau acele tinere galaxii. Și structura și compoziția acestor galaxii depinde de materia întunecată care stă la baza. Totul, din cantitatea de materie întunecată, din ce este făcută exact și din cum decide să se grupeze, toate afectează formarea galaxiilor. Aceste proprietăți (în prezent necunoscute) ale materiei întunecate schimbă câte galaxii există, cât de strălucitoare sunt și chiar ce tip de stele găzduiesc.
Totuși, această legătură între galaxii și materia întunecată este înțeleasă cu adevărat doar în simulări. Acest lucru se datorează faptului că nu avem o mulțime de observații directe asupra materiei întunecate (de parcă numele în sine nu ți-a dat niciun indiciu). Pe scurt, nu înțelegem pe deplin care este materia întunecată. Așadar, uneori, trebuie să ghicim și punem aceste ghiciri în interiorul unei simulări pe computer a creșterii universului și vedem cât de mult materie normală ca stelele, gazul și praful reacționează la asta și formează galaxii.
Să existe praf
Așadar, comparând imaginile și statisticile reale ale galaxiilor dezvăluite de James Webb la diferitele noastre simulări, putem găsi, cu speranță, cea mai bună potrivire și să alegem care model de materie întunecată este cel mai precis. De acolo putem afla și mai multe despre univers, cum ar fi vânatul pentru modele exotice de gravitație sau chiar obținerea unui indiciu cu privire la natura misterioasă a energiei întunecate (care este un articol complet separat).
Acest lucru sună simplu, dar nu este. Observațiile din univers sunt foarte dezordonate și, în general, foarte grele, deoarece universul nostru este mult mai mult decât stele și galaxii și materie întunecată și Telescopul spațial James Webb.
De asemenea, există praf. O mulțime de ea.
Praful este format din șiruri de carbon și oxigen și multe altele, învârtindu-se și vârtej în interiorul galaxiilor, în jurul galaxiilor și între galaxii. Se dovedește că spațiul intergalactic este un loc destul de dezordonat. Sunt doar praf. Și praful se încurcă cu lumină.
Pe măsură ce lumina din aceste galaxii îndepărtate trece prin miliarde de miliarde de ani-lumină pentru a ajunge la James Webb, aceasta intersectează multă praf. Acest praf îl va împrăștia, îl va slăbi și îl va înroși. Cu alte cuvinte, dacă încercăm să înțelegem cum arată aceste tinere galaxii, nu putem vedea decât aceste galaxii printr-o ceață nebună. Deci nu avem - și nu vom primi niciodată - imagini clare directe ale universului timpuriu.
Încă o dată, simulări la salvare.
Un exemplu ilustrativ
Dar de data aceasta, simulările au ceva ajutor suplimentar. Au date reale cu care să lucreze. Nu date din universul timpuriu (pentru că încă nu avem asta), ci date din universul apropiat. Am construit hărți și observații și am studiat într-o măsură ridicolă proprietățile prafului dintre galaxii din peticul nostru local al cosmosului. Aceste date sunt apoi conectate la simulările universului timpuriu pentru a încerca să facă predicții cât mai precise despre ceea ce va vedea efectiv James Webb.
Este ca și cum ai lua mostre de ceață din jurul tău pentru a încerca să înțelegi cum arată de fapt un far îndepărtat.
Recent, o echipă de cercetători a publicat rezultatele unei suite de simulări numite Illustris. După cum sugerează și numele, aceste simulări sunt incredibil de sofisticate, care implică nu doar materia întunecată și formarea galaxiilor, ci chiar simulează lumina emisă din aceste galaxii, pe măsură ce trece prin miliarde de ani-lumină de praf și în ceva precum James Webb.
Scopul cheie al simulărilor a fost de a prezice ce va vedea James Webb în ceea ce astronomii numesc funcția de luminozitate a galaxiei. Acesta este doar un mod fantezist de a spune câte galaxii din fiecare nivel de luminozitate vor fi văzute: câte cu adevărat luminoase, câte luminoase medii, câte nuanțe slabe și așa mai departe. Funcția de luminozitate a galaxiei este influențată de proprietățile materiei întunecate: de exemplu, dacă materia întunecată se simte în special neplăcută, universul nostru va avea galaxii mai luminoase și va schimba această funcție de luminozitate.
Dar funcția de luminozitate în sine este influențată și de praf, deoarece praful schimbă toată lumina emisă din toate galaxiile. Aceste simulări sunt unele dintre primele încercări de a oferi o imagine end-to-end care leagă ceea ce va vedea James Webb (cu alte cuvinte, care vor fi de fapt datele) la fizica care stă la baza formării materiei întunecate și a galaxiei.
Desigur, acesta este doar primul pas; aceste simulări implică o mulțime de presupuneri și cele mai bune presupuneri bazate pe observațiile actuale. Dar sunt sigur că, când va zbura James Webb, vom avea multe mai multe date și multe alte simulări sub centura noastră.
Citiți mai multe: „Predicții JWST de redshift ridicate de la IllustrisTNG: Modelarea prafului și funcțiile de luminozitate a galaxiei“
