Ensimmäisten galaksien kohdalla James Webbin avaruusteleskooppi yrittää ymmärtää näiden galaksien muodostumisen ja niiden yhteyden taustalla olevaan tummaan aineeseen. Joten tutkimalla galakseja - ja erityisesti niiden muodostumista - voimme saada vinkkejä tumman aineen toimintaan. Ainakin se on toivoa. Osoittautuu, että tähtitiede on hiukan monimutkaisempi, ja yksi tärkeimmistä asioista, jotka meidän on käsiteltävä tutkittaessa näitä kaukaisia galakseja, on pöly. Paljon pölyä.
Se on totta: hyvä vanhanaikainen pöly. Ja joidenkin fancy simulaatioiden ansiosta olemme alkamassa puhdistaa kuvaa.
Tulkoon valo
Galaksit alkoivat muodostaa ensin melko kauan sitten, vain muutama sata miljoonaa vuotta maailmankaikkeuden historiaan. Mutta toistaiseksi meillä ei ole suoria kuvia noista ensimmäisistä galakseista. He ovat yksinkertaisesti liian kaukana, jotta valo pääsee meihin ilman massiivista kaukoputkea. Lisäksi, koska ne ovat niin kaukana ja maailmankaikkeus on laajentunut heidän valonsa lähettämisen jälkeen, ne eivät enää hehku näkyvässä valossa. Heidän valo on siirretty punaisesti alas infrapunaspektriin. Joten jotta meillä olisi mitään mahdollisuuksia kartoittaa näitä pikkulasten galakseja, tarvitsemme suuren infrapunakaukoputken. Kirjoita James Webb.
James Webb ei ole kyselyväline; se ei kuvaa uskomattoman suurta tilavuutta maailmankaikkeudesta. Mutta se antaa meille ehdottomasti joitain muotokuvia siitä, millainen maailmankaikkeus oli yli 13 miljardia vuotta sitten, ja etenkin siitä, millaiset nuo nuoret galaksit olivat. Ja näiden galaksien rakenne ja koostumus riippuvat taustalla olevasta tummasta aineesta. Kaikista pimeän aineen määrästä, mistä tarkalleen se on tehty ja miten se päättää ryhmitellä kaikki vaikuttavat galaksien muodostumiseen. Nämä (tällä hetkellä tuntemattomat) tumman aineen ominaisuudet muuttavat kuinka monta galaksia on, kuinka kirkkaita ne ovat ja jopa millaisia tähtiä ne isännöivät.
Tämä galaksien ja tumman aineen välinen yhteys ymmärretään kuitenkin vain simulaatioissa. Tämä johtuu siitä, että koska meillä ei ole paljon suoria havaintoja pimeästä aineesta (ikään kuin nimi itsessään ei antaisi sinulle aavistustakaan). Lyhyesti sanottuna, emme ymmärrä täysin, mikä on tumma aine. Joten joskus meidän on arvattava, ja laitamme nämä arvaukset universumin kasvun tietokoneen simulointiin, ja näemme, kuinka normaali aine kuten tähdet ja kaasu ja pöly reagoivat siihen ja muodostavat galakseja.
Olkoon pöly
Joten vertaamalla James Webbin paljastamia galaksien todellisia kuvia ja tilastoja erilaisiin simulaatioihimme, voimme toivottavasti löytää parhaan vastaavuuden ja valita, mikä tumman aineen malli on tarkin. Sieltä voimme oppia vielä enemmän universumista, kuten metsästämään eksoottisia painovoimalleja tai jopa saamaan vihjeen tumman energian salaperäisestä luonteesta (mikä on täysin erillinen artikkeli).
Tämä kuulostaa suoraviivaiselta, mutta ei ole. Havainnot maailmankaikkeudessa ovat hyvin sotkuisia ja monimutkaisia ja yleensä erittäin kovia, koska universumissamme on paljon muutakin kuin tähtiä ja galakseja, tummaa ainetta ja James Webbin avaruusteleskooppia.
Siellä on myös pölyä. Paljon siitä.
Pöly on valmistettu hiilen ja hapen nauhoista ja muusta, pyörteistä ja pyörteistä galaksien sisäpuolella, galaksien ympärillä ja galaksien välillä. Osoittautuu, että galaktien välinen tila on aika sotkuinen. Siellä on vain pölyä. Ja pöly sekoittaa valoa.
Kun valo noista kaukaisista galakseista kulkee miljardeja miljardeja valovuosia James Webbiin pääsemiseksi, se leikkaa paljon pölyä. Tämä pöly hajottaa sen, heikentää sitä ja myös punasiirtyä. Toisin sanoen, jos yritämme ymmärtää näiden nuorten galaksien ulkonäköä, voimme nähdä nämä galaksit vain samean sumun kautta. Joten meillä ei ole - emmekä koskaan saa - suoraa selkeää kuvaa varhaisesta maailmankaikkeudesta.
Jälleen kerran simulaatiot pelastamiseksi.
Havainnollinen esimerkki
Mutta tällä kertaa simulaatioista on apua. Heillä on todellista elävää tietoa työskennellä. Ei varhaisen maailmankaikkeuden tietoja (koska meillä ei vielä ole sitä), mutta läheisen maailmankaikkeuden tietoja. Olemme rakentaneet karttoja ja havaintoja ja tutkineet naurettavassa määrin pölyn ominaisuuksia galaksien välissä kosmoksen paikallisessa laastarissamme. Nämä tiedot kytketään sitten varhaisen maailmankaikkeuden simulaatioihin yrittää tehdä mahdollisimman tarkkoja ennusteita siitä, mitä James Webb todellisuudessa näkee.
Se on kuin ottamalla näytteitä ympäröivästä sumusta yrittääksesi ymmärtää, miltä kaukainen majakka todella näyttää.
Äskettäin tutkijaryhmä julkaisi tulokset simulaatiosarjasta nimeltään Illustris. Kuten nimestä voi päätellä, nämä simulaatiot ovat uskomattoman hienostuneita, eivätkä koske pelkästään pimeää ainetta ja galaksien muodostumista, vaan jopa simuloivat näiden galaktien lähettämää valoa, kun se kulkee miljardeja valovuosia pölyä ja jotain James Webbin kaltaista.
Simulaatioiden päätavoite oli ennustaa, mitä James Webb näkee siinä, mitä tähtitieteilijät kutsuvat galaksien kirkkausfunktioksi. Se on vain hieno tapa sanoa, kuinka monta galaksia kaikilla kirkkaustasoilla nähdään: kuinka monta todella kirkasta, kuinka monta keskikokoista, kuinka monta himmeää ja niin edelleen. Galaksien valoisuusfunktioon vaikuttavat tumman aineen ominaisuudet: jos esimerkiksi tumma aine tuntuu erityisen kömpelöltä, silloin universumissamme on kirkkaampia galakseja ja tämä muuttaa tämän valoisuusfunktion.
Mutta pöly vaikuttaa myös itse kirkkausfunktioon, koska pöly muuttaa kaiken galaksin säteilevän valon. Nämä simulaatiot ovat joitain ensimmäisistä yrityksistä saada aikaan päästä päähän -kuva, joka yhdistää James Webbin näkemyksen (toisin sanoen, mitä tietoja tosiasiassa on) tumma-aineen ja galaktien muodostumisen taustalla olevaan fysiikkaan.
Tietenkin tämä on vain ensimmäinen askel; nämä simulaatiot sisältävät paljon oletuksia ja parhaita arvauksia nykyisten havaintojen perusteella. Mutta olen varma siihen mennessä, kun James Webb todella lentää, meillä on vyön alla paljon enemmän tietoa ja paljon enemmän simulaatioita.
Lue lisää: “Suuri punasiirtymän JWST-ennusteet IllustrisTNG: ltä: Pölyn mallintaminen ja galaktien kirkkaustoiminnot“
