Kad je riječ o prvim galaksijama, svemirski teleskop James Webb će pokušati shvatiti formiranje tih galaksija i njihovu povezanost s temeljnom tamnom materijom. Dakle, proučavanjem galaksija - a posebno njihove formacije - možemo dobiti neke nagovještaje kako djeluje tamna tvar. Barem, to je nada. Ispada da je astronomija malo složenija od toga, a jedna od glavnih stvari s kojom se moramo suočiti prilikom proučavanja tih dalekih galaksija je prašina. Puno prašine.
Tako je: dobra prastara prašina. I zahvaljujući nekim maštovitim simulacijama, počinjemo raščistiti sliku.
Neka bude svjetlost
Galaksije su se počele formirati prilično davno, samo nekoliko stotina milijuna godina u povijesti našeg svemira. Ali za sada nemamo izravne slike tih prvih galaksija. Oni su jednostavno predaleko da bi njihova svjetlost došla do nas bez ogromnog teleskopa. Štoviše, jer su tako udaljeni i svemir se proširio od svog zračenja, više ne blistaju u vidljivoj svjetlosti. Njihova je svjetlost premještena do infracrvenog spektra. Kako bismo uopće imali priliku za mapiranje tih dojenčadi galaksija, potreban nam je veliki infracrveni teleskop. Uđite u James Webb.
James Webb nije instrument za istraživanje; neće mapirati nevjerojatno velik volumen svemira. Ali definitivno će nam dati neke portrete kakav je svemir bio prije više od 13 milijardi godina, a posebno kakve su bile te mlade galaksije. A struktura i sastav tih galaksija ovisi o podlozi tamne materije. Sve, od količine tamne materije, od čega je točno napravljeno i kako odluči grupirati sve, utječu na stvaranje galaksija. Ova (trenutno nepoznata) svojstva tamne materije mijenjaju koliko galaksija ima, koliko su svijetle i čak kakve zvijezde imaju.
Međutim, ta povezanost galaksija i tamne materije stvarno se razumije samo u simulacijama. To je zato što nemamo puno izravnih promatranja tamne materije (kao da samo ime nije imalo pojma). Ukratko, ne razumijemo u potpunosti što je tamna materija. Zato ponekad moramo nagađati i ta nagađanja stavljamo u računalnu simulaciju rasta svemira i vidimo kako normalna materija poput zvijezda i plina i prašine reagira na to i tvore galaksije.
Neka bude prašine
Dakle, uspoređujući stvarne slike i statistike galaksija koje je otkrio James Webb s našim različitim simulacijama, možemo nadati se pronaći najbolje podudaranje i odabrati koji je model tamne materije najtačniji. Odatle možemo saznati još više o svemiru, poput lova na egzotične modele gravitacije ili čak dobivanja traga o tajanstvenoj prirodi tamne energije (što je posve zaseban članak).
To zvuči jednostavno, ali nije. Promatranja u svemiru vrlo su neuredna i komplicirana i općenito vrlo teška jer u našem svemiru postoji puno više od zvijezda i galaksija i tamne materije i svemirskog teleskopa James Webb.
Tu je i prašina. Puno toga.
Prašina je sastavljena od žice ugljika i kisika i još više, vrtenja i vrtloga unutar galaksija, oko galaksija i između galaksija. Ispada da je intergalaktički prostor prilično neuredno mjesto. Samo je prašina. I prašina se mijesi sa svjetlošću.
Dok svjetlost iz tih dalekih galaksija prolazi kroz nekoliko milijardi svjetlosnih godina do Jamesove Webbe, presijeca se puno prašine. Ta će se prašina raspršiti, oslabiti i također premjestiti. Drugim riječima, ako pokušavamo razumjeti kako izgledaju ove mlade galaksije, ove galaksije možemo vidjeti samo kroz maglovitu maglu. Dakle, nemamo - i nikada nećemo dobiti - jasne slike ranog svemira.
Još jednom, simulacije za spašavanje.
Ilustrativni primjer
No ovaj put simulacije imaju dodatnu pomoć. Imaju stvarne podatke uživo s kojima mogu raditi. Ne podaci iz ranog svemira (jer ga još nemamo) nego podaci iz obližnjeg svemira. Izradili smo karte i promatranja i na smiješan način proučavali svojstva prašine između galaksija u našem lokalnom komadu kosmosa. Ti se podaci zatim uključuju u simulacije ranog svemira kako bi pokušali dati što preciznija predviđanja o tome što će James Webb zapravo vidjeti.
To je poput uzimanja uzoraka magle oko vas kako biste pokušali shvatiti kako zapravo izgleda daleki svjetionik.
Nedavno je tim istraživača objavio rezultate skupa simulacija pod nazivom Illustris. Kao što ime sugerira, ove su simulacije nevjerojatno sofisticirane, uključuju ne samo tamnu materiju i stvaranje galaksija, već čak i simuliranje svjetlosti emitirane iz tih galaksija dok prolazi kroz milijardu svjetlosnih godina prašine i u nešto poput Jamesa Webba.
Ključni cilj simulacija bio je predvidjeti što će James Webb vidjeti u onome što astronomi nazivaju funkcijom svjetlosti galaksije. To je samo maštovit način kazivanja koliko će se galaksija na svakoj razini svjetline vidjeti: koliko zaista svijetlih, koliko srednje svijetlih, koliko prigušenih i tako dalje. Na funkciju svjetlosti galaksije utječu svojstva tamne materije: na primjer, ako se tamna tvar osjeća osobito nespretno, tada će naš svemir imati više svijetlih galaksija, a to će prebaciti ovu funkciju svjetlosti.
Ali na samu funkciju svjetlosti također utječe prašina, jer prašina mijenja svu svjetlost koja se emitira iz svih galaksija. Ove su simulacije neki od prvih pokušaja pružanja slike kraja do kraja koja povezuje ono što će vidjeti James Webb (drugim riječima, kakvi će podaci zapravo biti) s osnovnom fizikom tamne materije i stvaranja galaksija.
Naravno da je ovo samo prvi korak; ove simulacije uključuju puno pretpostavki i najboljih nagađanja zasnovanih na trenutnim opažanjima. Ali siguran sam da će, do trenutka kada James Webb doleti, imati mnogo više podataka i puno više simulacija.
Pročitajte još: "Predviđanja JWST visokog crvenog pomaka tvrtke IllustrisTNG: Modeliranje prašine i svjetleće galaksije"
