Når det gjelder de første galaksene, vil James Webb romteleskop forsøke å forstå dannelsen av disse galaksene og deres kobling til den underliggende mørke materien. Så ved å studere galakser - og spesielt deres dannelse - kan vi få noen hint om hvordan mørk materie fungerer. I det minste er det håpet. Det viser seg at astronomi er litt mer komplisert enn det, og en av de viktigste tingene vi må takle når vi studerer disse fjerne galaksene er støv. Mye støv.
Det stemmer: godt gammeldags støv. Og takket være noen fancy simuleringer, begynner vi å rydde opp i bildet.
La det bli lys
Galakser startet først for ganske lenge siden, bare noen hundre millioner år inn i universets historie. Men så langt har vi ingen direkte bilder av de første galaksene. De er rett og slett for langt unna for at lyset deres skal nå oss uten et massivt teleskop. Fordi de er så fjerne og universet har utvidet seg siden lyset deres ble sendt ut, gløder de ikke i synlig lys lenger. Lyset deres er blitt forskjøvet ned til det infrarøde spekteret. Så for i det hele tatt å ha noen sjanse til å kartlegge disse spedbarnsgalakser, trenger vi et stort infrarødt teleskop. Gå inn på James Webb.
James Webb er ikke et undersøkelsesinstrument; det vil ikke kartlegge et utrolig stort volum av universet. Men det vil definitivt gi oss noen portretter av hvordan universet så ut for over 13 milliarder år siden, og spesielt hvordan de unge galakser var. Og strukturen og sammensetningen av disse galaksene avhenger av den underliggende mørke materien. Alt fra mengden mørk materie, hva den er laget av, og hvordan den bestemmer seg for å gruppere sammen alt påvirker dannelsen av galakser. Disse (foreløpig ukjente) egenskapene til mørk materie endrer hvor mange galakser det er, hvor lyse de er, og til og med hva slags stjerner de er vert for.
Imidlertid forstås denne forbindelsen mellom galakser og mørk materie bare i simuleringer. Det er fordi vi ikke har mange direkte observasjoner av mørk materie (som om navnet ikke gir deg en anelse). Kort sagt, vi forstår ikke helt hva mørk materie er. Noen ganger må vi gjette, og vi legger disse gjetningene inne i en datasimulering av universets vekst, og vi ser hvordan normal materie som stjerner og gass og støv reagerer på det og danner galakser.
Let There Be Dust
Så ved å sammenligne de faktiske bildene og statistikken over galakser avslørt av James Webb med våre forskjellige simuleringer, kan vi forhåpentligvis finne den beste kampen og velge ut hvilken mørk materie som er den mest nøyaktige. Derfra kan vi lære enda mer om universet, som å jakte på eksotiske modeller av tyngdekraft eller til og med få en anelse om den mystiske energiens mystiske natur (som er en helt egen artikkel).
Dette høres greit ut, men det er det ikke. Observasjoner i universet er veldig rotete og kompliserte og generelt veldig harde, fordi det er mye mer i universet vårt enn bare stjerner og galakser og mørk materie og James Webb romteleskopet.
Det er også støv. Mye av det.
Støv er laget av strenger av karbon og oksygen og mer, virvlende og virvlende inni galakser, rundt galakser og mellom galakser. Det viser seg at intergalaktisk rom er et ganske rotete sted. Det er bare støv. Og støv roter med lys.
Når lyset fra de fjerne galakene passerer milliarder på milliarder av lysår for å nå James Webb, krysser det mye støv. At støvet vil spre det, svekke det og også skifte det rødt. Med andre ord, hvis vi prøver å forstå hvordan disse unge galaksene ser ut, kan vi bare se disse galaksene gjennom en disig tåke. Så vi har ikke - og vil aldri få - direkte klare bilder av det tidlige universet.
Nok en gang, simuleringer til unnsetning.
Et illustrerende eksempel
Men denne gangen har simuleringene litt ekstra hjelp. De har ekte live data å jobbe med. Ikke data fra det tidlige universet (fordi vi ikke har det ennå) men data fra det nærliggende universet. Vi har bygget kart og observasjoner og studert i latterlig grad egenskapene til støv mellom galakser i vår lokale oppdatering av kosmos. Disse dataene blir deretter koblet til simuleringene av det tidlige universet for å prøve å lage så nøyaktige spådommer som mulig om hva James Webb faktisk vil se.
Det er som å ta prøver av tåken rundt deg for å prøve å forstå hvordan et fjernt fyrtårn faktisk ser ut.
Nylig publiserte et team av forskere resultater fra en serie simuleringer kalt Illustris. Som navnet antyder, er disse simuleringene utrolig sofistikerte, og involverer ikke bare mørk materie og dannelse av galakser, men til og med simulerer det lyset som sendes ut fra disse galaksene når det passerer gjennom milliarder av lysår med støv og til noe som James Webb.
Hovedmålet med simuleringene var å forutsi hva James Webb vil se i det astronomene kaller galaksens lysstyrkefunksjon. Det er bare en fancy måte å si hvor mange galakser med hvert lysnivå som vil bli sett: hvor mange virkelig lyse, hvor mange middels lyse, hvor mange svake og så videre. Galaksens lysstyrkefunksjon påvirkes av egenskapene til mørk materie: for eksempel hvis mørk materie føles spesielt klumpete, vil universet vårt ha mer lyse galakser og dette vil forandre denne lysstyrkefunksjonen.
Men selve lysstyrkefunksjonen påvirkes også av støvet, fordi støvet endrer alt lyset som sendes ut fra alle galakser. Disse simuleringene er noen av de første forsøkene på å gi et bilde fra ende til ende som knytter det James Webb vil se (med andre ord, hva dataene faktisk vil være) til den underliggende fysikken i mørk materie og galaksdannelse.
Dette er selvfølgelig bare det første trinnet; disse simuleringene innebærer mange antagelser og gjetninger basert på nåværende observasjoner. Men jeg er sikker på at når James Webb faktisk flyr, vil vi ha mye mer data og mye mer simuleringer under beltet.
Les mer: “JWST-prediksjoner fra høy redskift fra IllustrisTNG: Støvmodellering og galaksens lysstyrkefunksjoner”
