Ko gre za prve galaksije, bo vesoljski teleskop James Webb poskušal razumeti tvorbo teh galaksij in njihovo povezavo z osnovno temno snovjo. Tako lahko s preučevanjem galaksij - in zlasti njihovega nastanka - dobimo nekaj namigov, kako deluje temna snov. Vsaj to je upanje. Izkazalo se je, da je astronomija nekoliko bolj zapletena od tega in ena glavnih stvari, s katerimi se moramo ukvarjati pri preučevanju teh oddaljenih galaksij, je prah. Veliko prahu.
Tako je: dober starinski prah. In zahvaljujoč nekaj domišljijskim simulacijam bomo začeli razčistiti sliko.
Naj bo svetloba
Galaksije so se začele oblikovati precej dolgo nazaj, le nekaj sto milijonov let v zgodovino našega vesolja. A zaenkrat še nimamo neposrednih slik teh prvih galaksij. Preprosto so oddaljeni, da bi nas svetloba dosegla brez masivnega teleskopa. Še več, ker so tako oddaljeni in se je vesolje razširilo od oddajanja njihove svetlobe, ne svetijo več v vidni svetlobi. Njihova svetloba se je preusmerila navzdol do infrardečega spektra. Da bi imeli karkoli možnosti pri kartiranju teh galaksij za dojenčke, potrebujemo velik infrardeči teleskop. Vnesite James Webb.
James Webb ni instrument raziskovanja; ne bo preslikala neverjetno velikega obsega vesolja. Vsekakor nam bo dal nekaj portretov, kakšno je bilo vesolje pred več kot 13 milijardami let, in še posebej, kakšne so bile te mlade galaksije. In zgradba in sestava teh galaksij sta odvisna od temne snovi. Vse od količine temne snovi, iz česa je natančno sestavljeno in kako se odloči, da bodo združili vse, vplivajo na tvorbo galaksij. Te (trenutno neznane) lastnosti temne snovi spreminjajo, koliko galaksij je tam, kako svetle so in celo kakšne zvezde gostijo.
Vendar je ta povezava med galaksijami in temno materijo res razumljiva le v simulacijah. Zato, ker nimamo veliko neposrednih opazovanj temne snovi (kot da ime samo po sebi ni imelo pojma). Skratka, ne razumemo popolnoma, kaj je temna snov. Tako moramo včasih ugibati in ta ugibanja umestimo v računalniško simulacijo rasti vesolja in vidimo, kako normalne snovi, kot so zvezde, plin in prah, reagirajo na to in tvorijo galaksije.
Naj bo prah
Če primerjamo dejanske slike in statistike galaksij, ki jih je razkril James Webb, z našimi različnimi simulacijami, lahko upamo, da bomo našli najboljše ujemanje in izbrali, kateri model temne snovi je najbolj natančen. Od tam lahko izvemo še več o vesolju, kot je lov na eksotične gravitacijske modele ali celo dojemanje skrivnosti narave temne energije (kar je povsem ločen članek).
To se sliši naravnost, vendar ni. Opazovanja v vesolju so zelo zmedena in zapletena in na splošno zelo naporna, saj je v našem vesolju veliko več kot le zvezde in galaksije ter temna snov in vesoljski teleskop James Webb.
Prav tako je prah. Veliko tega.
Prah je sestavljen iz strun ogljika in kisika in še več, vrtenja in vrtinčenja znotraj galaksij, okoli galaksij in med galaksijami. Izkaže se, da je medgalaktični prostor precej neurejen kraj. Samo prah je. In prah se zmeša s svetlobo.
Ko svetloba iz teh oddaljenih galaksij prehaja skozi milijarde svetlobnih let, da doseže James Webb, seka veliko prahu. Ta prah ga bo raztresel, oslabel in tudi rdeče prestavil. Z drugimi besedami, če poskušamo razumeti, kako izgledajo te mlade galaksije, lahko te galaksije vidimo le skozi megleno meglo. Torej nimamo - in nikoli ne bomo - neposrednih jasnih slik zgodnjega vesolja.
Še enkrat, simulacije za reševanje.
Ilustrativni primer
Tokrat imajo simulacije še nekaj dodatne pomoči. Imajo resnične podatke v živo, s katerimi lahko sodelujejo. Ne podatki iz zgodnjega vesolja (ker ga še nimamo), temveč podatki iz bližnjega vesolja. Sestavili smo zemljevide in opazovanja ter do smešnega raziskovali lastnosti prahu med galaksijami v našem lokalnem zaplavu kozmosa. Ti podatki se nato vključijo v simulacije zgodnjega vesolja, da bi poskušali narediti čim natančnejše napovedi, kaj bo dejansko videl James Webb.
Kot bi vzeli vzorce megle okoli sebe, da bi poskušali razumeti, kako pravzaprav izgleda oddaljeni svetilnik.
Pred kratkim je skupina raziskovalcev objavila rezultate iz nabora simulacij z imenom Illustris. Kot že ime pove, so te simulacije neverjetno prefinjene in ne vključujejo le temne snovi in tvorbe galaksij, ampak celo simulirajo svetlobo, ki jo oddajajo te galaksije, ko ta prehaja skozi milijarde svetlobnih let v prah in v nekaj podobnega, kot je James Webb.
Ključni cilj simulacij je bil napovedati, kaj bo videl James Webb v tem, kar astronomi imenujejo funkcija svetilnosti galaksije. To je samo domišljen način, kako povedati, koliko galaksij na vsaki stopnji svetlosti bo videti: koliko resnično svetlih, koliko srednje svetlih, koliko zatemnjenih in podobno. Na funkcijo svetilnosti galaksije vplivajo lastnosti temne snovi: če se na primer temna snov zdi še posebej nerodna, bo imelo naše vesolje bolj svetle galaksije in to bo premikalo to svetilnost.
Toda na prah vpliva tudi svetilnost, saj prah spreminja vso svetlobo, ki jo oddajajo vse galaksije. Te simulacije so nekaj prvih poskusov zagotavljanja slike od konca do konca, ki povezuje to, kar bo videl James Webb (z drugimi besedami, kakšni bodo v resnici podatki) z osnovno fiziko temne snovi in tvorbe galaksij.
Seveda je to le prvi korak; te simulacije vključujejo veliko predpostavk in najboljših ugibanj, ki temeljijo na trenutnih opažanjih. Prepričan pa sem, da bomo do takrat, ko bo James Webb dejansko poletel, imeli veliko več podatkov in veliko več simulacij.
Preberite več: "JWST napovedi z visokim rdečim premikom iz IllustrisTNG: Modeliranje prahu in svetilnost galaksije"
