Όταν πρόκειται για τους πρώτους γαλαξίες, το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb θα προσπαθήσει να κατανοήσει τον σχηματισμό αυτών των γαλαξιών και τη σύνδεσή τους με την υποκείμενη σκοτεινή ύλη. Μελετώντας λοιπόν τους γαλαξίες - και ειδικά τον σχηματισμό τους - μπορούμε να πάρουμε κάποιες συμβουλές για το πώς λειτουργεί η σκοτεινή ύλη. Τουλάχιστον, αυτή είναι η ελπίδα. Αποδεικνύεται ότι η αστρονομία είναι λίγο πιο περίπλοκη από αυτό, και ένα από τα σημαντικότερα πράγματα που πρέπει να αντιμετωπίσουμε κατά τη μελέτη αυτών των μακρινών γαλαξιών είναι η σκόνη. Πολλή σκόνη.
Αυτό είναι σωστό: καλή παλιομοδίτικη σκόνη. Και χάρη σε μερικές φανταστικές προσομοιώσεις, αρχίζουμε να καθαρίζουμε την εικόνα.
Και εγένετο φως
Οι γαλαξίες άρχισαν να σχηματίζονται για πολύ καιρό πριν, μόλις μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια στην ιστορία του σύμπαντος μας. Αλλά μέχρι στιγμής δεν έχουμε άμεσες εικόνες αυτών των πρώτων γαλαξιών. Είναι πολύ μακριά για να φτάσουν το φως τους χωρίς τεράστιο τηλεσκόπιο. Επιπλέον, επειδή είναι τόσο μακρινά και το σύμπαν έχει επεκταθεί από τότε που εκπέμπεται το φως τους, δεν λάμπουν πλέον στο ορατό φως. Το φως τους έχει μετατοπιστεί εκ νέου στο υπέρυθρο φάσμα. Έτσι, για να έχουμε οποιαδήποτε ευκαιρία να χαρτογραφήσουμε αυτούς τους γαλαξίες των βρεφών, χρειαζόμαστε ένα μεγάλο υπέρυθρο τηλεσκόπιο. Εισαγάγετε το James Webb.
Το James Webb δεν είναι όργανο έρευνας. δεν θα χαρτογραφήσει έναν απίστευτα μεγάλο όγκο του σύμπαντος. Αλλά σίγουρα θα μας δώσει μερικά πορτρέτα για το πώς ήταν το σύμπαν πριν από 13 δισεκατομμύρια χρόνια, και ειδικά πώς ήταν οι νέοι γαλαξίες. Και η δομή και η σύνθεση αυτών των γαλαξιών εξαρτάται από την υποκείμενη σκοτεινή ύλη. Όλα από την ποσότητα της σκοτεινής ύλης, από τι ακριβώς είναι φτιαγμένη και πώς αποφασίζει να ομαδοποιηθούν όλα επηρεάζουν το σχηματισμό γαλαξιών. Αυτές οι (επί του παρόντος άγνωστες) ιδιότητες της σκοτεινής ύλης αλλάζουν πόσους γαλαξίες υπάρχουν, πόσο φωτεινές είναι και ακόμη και τι είδους αστέρια φιλοξενούν.
Ωστόσο, αυτή η σύνδεση μεταξύ γαλαξιών και σκοτεινής ύλης γίνεται πραγματικά κατανοητή μόνο σε προσομοιώσεις. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν έχουμε πολλές άμεσες παρατηρήσεις σκοτεινής ύλης (λες και το ίδιο το όνομα δεν σας έδωσε ένδειξη). Εν ολίγοις, δεν καταλαβαίνουμε πλήρως τι είναι η σκοτεινή ύλη. Μερικές φορές λοιπόν πρέπει να μαντέψουμε και βάζουμε αυτές τις εικασίες μέσα σε μια προσομοίωση υπολογιστή για την ανάπτυξη του σύμπαντος, και βλέπουμε πώς η φυσιολογική ύλη όπως τα αστέρια και το αέριο και η σκόνη αντιδρούν σε αυτό και σχηματίζουν γαλαξίες.
Ας υπάρξει σκόνη
Έτσι, συγκρίνοντας τις πραγματικές εικόνες και τα στατιστικά στοιχεία των γαλαξιών που αποκαλύφθηκαν από τον James Webb με τις διάφορες προσομοιώσεις μας, ελπίζουμε να βρούμε τον καλύτερο αγώνα και να διαλέξουμε ποιο μοντέλο σκοτεινής ύλης είναι το πιο ακριβές. Από εκεί μπορούμε να μάθουμε ακόμη περισσότερα για το σύμπαν, όπως το κυνήγι εξωτικών μοντέλων βαρύτητας ή ακόμη και η ένδειξη της μυστηριώδους φύσης της σκοτεινής ενέργειας (που είναι ένα εντελώς ξεχωριστό άρθρο).
Αυτό ακούγεται απλό αλλά δεν είναι. Οι παρατηρήσεις στο σύμπαν είναι πολύ βρώμικες και περίπλοκες και γενικά πολύ δύσκολες, επειδή υπάρχουν πολλά περισσότερα στο σύμπαν μας από απλά αστέρια και γαλαξίες και σκοτεινή ύλη και το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb.
Υπάρχει επίσης σκόνη. Πολλά.
Η σκόνη αποτελείται από χορδές άνθρακα και οξυγόνου και πολλά άλλα, στροβιλίζονται και στροβιλίζονται στο εσωτερικό των γαλαξιών, γύρω από τους γαλαξίες και μεταξύ των γαλαξιών. Αποδεικνύεται ότι ο διαγαλαξιακός χώρος είναι ένα αρκετά βρώμικο μέρος. Υπάρχει μόνο σκόνη. Και η σκόνη βρωμίζει με το φως.
Καθώς το φως από αυτούς τους μακρινούς γαλαξίες περνά μέσα από δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια έτη φωτός για να φτάσει στο James Webb, τέμνει πολλή σκόνη. Αυτή η σκόνη θα την διασκορπίσει, θα την αποδυναμώσει και θα την αλλάξει επίσης. Με άλλα λόγια, αν προσπαθούμε να καταλάβουμε πώς μοιάζουν αυτοί οι νέοι γαλαξίες, μπορούμε να δούμε αυτούς τους γαλαξίες μόνο μέσω μιας θολής ομίχλης. Επομένως δεν έχουμε - και δεν θα πάρουμε - άμεσες σαφείς εικόνες του πρώιμου σύμπαντος.
Για άλλη μια φορά, προσομοιώσεις για τη διάσωση.
Ένα επεξηγηματικό παράδειγμα
Αλλά αυτή τη φορά οι προσομοιώσεις έχουν κάποια επιπλέον βοήθεια. Έχουν πραγματικά ζωντανά δεδομένα για να εργαστούν. Όχι δεδομένα από το πρώιμο σύμπαν (επειδή δεν το έχουμε ακόμα), αλλά δεδομένα από το κοντινό σύμπαν. Έχουμε δημιουργήσει χάρτες και παρατηρήσεις και μελετήσαμε σε έναν γελοίο βαθμό τις ιδιότητες της σκόνης ανάμεσα στους γαλαξίες στο τοπικό μας κομμάτι του σύμπαντος. Αυτά τα δεδομένα στη συνέχεια συνδέονται στις προσομοιώσεις του πρώιμου σύμπαντος για να προσπαθήσουν να κάνουν όσο το δυνατόν ακριβέστερες προβλέψεις για το τι θα δει πραγματικά το James Webb.
Είναι σαν να παίρνεις δείγματα της ομίχλης γύρω σου για να καταλάβεις πώς μοιάζει ένας μακρινός φάρος.
Πρόσφατα μια ομάδα ερευνητών δημοσίευσε αποτελέσματα από μια σειρά προσομοιώσεων που ονομάζεται Illustris. Όπως υποδηλώνει το όνομα, αυτές οι προσομοιώσεις είναι απίστευτα εξελιγμένες, που περιλαμβάνουν όχι μόνο τη σκοτεινή ύλη και το σχηματισμό γαλαξιών, αλλά ακόμη και την προσομοίωση του φωτός που εκπέμπεται από αυτούς τους γαλαξίες καθώς περνά μέσα από δισεκατομμύρια έτη φωτός σκόνης και σε κάτι σαν το James Webb.
Ο βασικός στόχος των προσομοιώσεων ήταν να προβλέψει τι θα δει ο James Webb σε αυτό που οι αστρονόμοι αποκαλούν τη λειτουργία φωτεινότητας του γαλαξία. Αυτός είναι απλώς ένας φανταχτερός τρόπος να πούμε πόσους γαλαξίες κάθε επιπέδου φωτεινότητας θα δει: πόσα πραγματικά φωτεινά, πόσα μεσαία-φωτεινά, πόσα αμυδρό, και ούτω καθεξής. Η λειτουργία φωτεινότητας του γαλαξία επηρεάζεται από τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης: για παράδειγμα, εάν η σκοτεινή ύλη αισθάνεται ιδιαίτερα αδέξια, τότε το σύμπαν μας θα έχει πιο φωτεινούς γαλαξίες και αυτό θα αλλάξει αυτήν τη λειτουργία φωτεινότητας.
Αλλά η ίδια η λειτουργία φωτεινότητας επηρεάζεται επίσης από τη σκόνη, επειδή η σκόνη αλλάζει όλο το φως που εκπέμπεται από όλους τους γαλαξίες. Αυτές οι προσομοιώσεις είναι μερικές από τις πρώτες προσπάθειες για την παροχή μιας εικόνας από άκρο σε άκρο που συνδέει αυτό που θα δει ο James Webb (με άλλα λόγια, ποια θα είναι πραγματικά τα δεδομένα) με την υποκείμενη φυσική της σκοτεινής ύλης και του σχηματισμού γαλαξιών.
Φυσικά αυτό είναι μόνο το πρώτο βήμα. Αυτές οι προσομοιώσεις περιλαμβάνουν πολλές υποθέσεις και βέλτιστες εικασίες με βάση τις τρέχουσες παρατηρήσεις. Αλλά είμαι σίγουρος ότι όταν ο James Webb πετάει πραγματικά, θα έχουμε πολύ περισσότερα δεδομένα και πολύ περισσότερες προσομοιώσεις.
Διαβάστε περισσότερα: "Υψηλές προβλέψεις JWST με κόκκινο χρώμα από το IllustrisTNG: Μοντελοποίηση σκόνης και λειτουργίες φωτεινότητας γαλαξιών"
