Когато става въпрос за първите галактики, космическият телескоп на Джеймс Уеб ще се опита да разбере формирането на тези галактики и връзката им с основната тъмна материя. Така че, изучавайки галактиките - и по-специално тяхното формиране - можем да получим някои намеци за това как работи тъмната материя. Поне това е надеждата. Оказва се, че астрономията е малко по-сложна от това и едно от основните неща, с които трябва да се справим, когато изучаваме тези далечни галактики, е прахът. Много прах.
Точно така: добър старомоден прах. И благодарение на някои фантазии симулации, ние започваме да изчистваме картината.
Нека бъде светлина
Галактиките за първи път започнаха да се формират доста отдавна, само на няколкостотин милиона години в историята на нашата Вселена. Но засега нямаме директни изображения на онези първи галактики. Те просто са твърде далеч, за да може светлината ни да достигне до нас без масивен телескоп. Нещо повече, тъй като те са толкова далечни и Вселената се разширява след излъчването на светлината им, те вече не светят във видима светлина. Светлината им е преместена надолу към инфрачервения спектър. За да имаме изобщо шанс при картографирането на тези детски галактики, се нуждаем от голям инфрачервен телескоп. Въведете Джеймс Уеб.
Джеймс Уеб не е инструмент за изследване; няма да нанесе невероятно голям обем на Вселената. Но определено ще ни даде някои портрети на това каква е била Вселената преди повече от 13 милиарда години и особено какви са били тези млади галактики. А структурата и състава на тези галактики зависи от основата на тъмната материя. Всичко от количеството на тъмната материя, от какво точно е направено и как решава да се групират всички влияят върху образуването на галактики. Тези (засега неизвестни) свойства на тъмната материя променят колко галактики има, колко светли са те и дори какви видове звезди са домакини.
Тази връзка между галактиките и тъмната материя обаче се разбира само в симулации. Това е така, защото нямаме много преки наблюдения върху тъмната материя (сякаш самото име не ви дава представа). Накратко, ние не разбираме напълно какво е тъмна материя. Затова понякога се налага да гадаем и поставяме тези предположения вътре в компютърна симулация на растежа на Вселената и виждаме как нормалната материя като звезди и газ и прах реагира на това и образува галактики.
Нека има прах
Така че сравнявайки действителните изображения и статистически данни за галактиките, разкрити от Джеймс Уеб, с нашите различни симулации, можем да се надяваме да намерим най-доброто съвпадение и да изберем кой модел на тъмна материя е най-точен. Оттам можем да научим още повече за Вселената, като лов на екзотични модели на гравитация или дори да получим представа за мистериозната природа на тъмната енергия (което е напълно отделна статия).
Това звучи направо, но не е. Наблюденията във Вселената са много разхвърлени и сложни и като цяло много трудни, защото за нашата Вселена има много повече от звезди и галактики и тъмна материя и космическия телескоп на Джеймс Уеб.
Има и прах. Много от него.
Прахът е направен от струни от въглерод и кислород и повече, въртене и въртене във вътрешността на галактиките, около галактиките и между галактиките. Оказва се, че междугалактическото пространство е доста объркано място. Има само прах. И прах се обърква със светлина.
Докато светлината от тези далечни галактики преминава през милиарди върху милиарди светлинни години, за да достигне Джеймс Уеб, тя пресича много прах. Този прах ще го разпръсне, ще го отслаби и ще го замени отново. С други думи, ако се опитваме да разберем как изглеждат тези млади галактики, можем да видим тези галактики само през мъглява мъгла. Така че ние нямаме - и никога няма да получим - директни ясни изображения на ранната Вселена.
Още веднъж симулации за спасяването.
Илюстративен пример
Но този път симулациите имат някаква допълнителна помощ. Те имат реални данни на живо, с които да работят. Не данни от ранната Вселена (защото все още нямаме такава), а данни от близката Вселена. Създадохме карти и наблюдения и проучихме до смешна степен свойствата на праха между галактиките в нашия местен пластир на Космоса. След това тези данни се включват в симулациите на ранната вселена, за да се опитат да направят възможно най-точни прогнози за това, което действително ще види Джеймс Уеб.
Това е като да вземете проби от мъглата около себе си, за да се опитате да разберете как всъщност изглежда далечен фар.
Наскоро екип от изследователи публикува резултати от набор от симулации, наречен Illustris. Както подсказва името, тези симулации са невероятно сложни, включващи не само тъмна материя и образуване на галактики, но дори и симулиране на светлината, излъчвана от тези галактики, докато тя преминава през милиарди светлинни години прах и в нещо като Джеймс Уеб.
Ключовата цел на симулациите беше да се предвиди какво ще види Джеймс Уеб в това, което астрономите наричат функцията на светене на галактиката. Това е просто фантастичен начин да се каже колко галактики от всяко ниво на яркост ще се видят: колко наистина ярки, колко средно-ярки, колко тъмни и т.н. Функцията за светене на галактиката се влияе от свойствата на тъмната материя: например, ако тъмната материя се чувства особено тромава, тогава нашата Вселена ще има по-ярки галактики и това ще измести тази функция за светене.
Но самата функция на светимостта също се влияе от праха, защото прахът променя цялата светлина, излъчвана от всички галактики. Тези симулации са едни от първите опити за предоставяне на картина от край до край, свързваща това, което ще види Джеймс Уеб (с други думи какви ще бъдат данните всъщност) с основната физика на тъмната материя и образуването на галактика.
Разбира се, това е само първата стъпка; тези симулации включват много предположения и най-добри предположения, основани на текущи наблюдения. Но съм сигурен, че когато Джеймс Уеб всъщност лети, ще имаме много повече данни и много повече симулации под колана си.
Прочетете още: „Прогнози с високо червено изместване на JWST от IllustrisTNG: Функции за моделиране на прах и осветеност на галактиката“
