Якщо мова йде про перші галактики, космічний телескоп Джеймса Вебба спробує зрозуміти утворення цих галактик та їх зв'язок із глибокою темною речовиною. Отже, вивчаючи галактики - і особливо їх формування - ми можемо отримати деякі підказки щодо того, як працює темна речовина. Принаймні, на це є надія. Виявляється, астрономія дещо складніша за це, і одна з головних речей, з якою ми маємо мати справу при вивченні цих далеких галактик, - це пил. Багато пилу.
Правильно: хороший старомодний пил. І завдяки деяким химерним симуляціям ми починаємо вияснювати картину.
Нехай буде світло
Галактики вперше почали формуватися досить давно, лише кілька сотень мільйонів років в історію нашого Всесвіту. Але поки що у нас немає прямих зображень тих перших галактик. Вони просто занадто далеко, щоб їхнє світло дійшло до нас без масивного телескопа. Більше того, оскільки вони настільки далекі, а Всесвіт розширюється з моменту випромінювання їхнього світла, вони вже не світяться у видимому світлі. Їх світло перенесений вниз до інфрачервоного спектру. Таким чином, щоб мати взагалі будь-який шанс при картографуванні цих немовлят-галактик, нам потрібен великий інфрачервоний телескоп. Введіть Джеймса Вебба.
Джеймс Вебб не є інструментом опитування; це не буде відображати неймовірно великий обсяг Всесвіту. Але це, безумовно, подарує нам кілька портретів того, яким був Всесвіт понад 13 мільярдів років тому, і особливо, якими були ці молоді галактики. А структура і склад цих галактик залежать від основної темної речовини. Все, від кількості темної речовини, з чого саме вона складається, і як вона вирішує згрупувати всі, впливають на формування галактик. Ці (невідомі на даний момент) властивості темної матерії змінюють, скільки там є галактик, наскільки вони яскраві та навіть, які види зірок вони розміщують.
Однак цей зв’язок між галактиками і темною речовиною насправді розуміється лише в симуляціях. Це тому, що ми не маємо багато прямих спостережень за темною речовиною (як би саме ім'я не дало вам поняття). Коротше кажучи, ми не повністю розуміємо, що таке темна матерія. Тому іноді нам доводиться здогадуватися, і ми розміщуємо ці здогадки всередині комп’ютерного моделювання зростання Всесвіту, і ми бачимо, як нормальна матерія, як зірки, газ і пил, реагують на це і утворюють галактики.
Нехай буде пил
Тож, порівнюючи фактичні зображення та статистику галактик, виявлених Джеймсом Веббом, з нашими різноманітними моделюваннями, ми можемо сподіватися знайти найкращу відповідність та вибрати, яка модель темної матерії є найбільш точною. Звідти ми можемо дізнатися ще більше про всесвіт, як полювання на екзотичні моделі сили тяжіння або навіть отримати поняття про таємничу природу темної енергії (що є цілком окремою статтею).
Це звучить прямо, але це не так. Спостереження у Всесвіті дуже безладні і складні, і взагалі дуже важкі, тому що у нашому Всесвіті є набагато більше, ніж просто зірки, галактики та темна матерія та космічний телескоп Джеймса Вебба.
Також є пил. Дуже багато.
Пил складається з струн вуглецю і кисню і більше, що крутяться і крутяться всередині галактик, навколо галактик і між галактиками. Виявляється, міжгалактичний простір - досить безладне місце. Там просто пил. І пил псується світлом.
Коли світло від цих далеких галактик проходить через мільярди на мільярди світлових років, щоб досягти Джеймса Вебба, воно перетинає багато пилу. Цей пил буде розсипати його, послаблювати його, а також червоніти. Іншими словами, якщо ми намагаємось зрозуміти, як виглядають ці молоді галактики, ми можемо бачити ці галактики лише через туманний туман. Тому ми не маємо - і ніколи не отримаємо - прямих чітких зображень раннього Всесвіту.
Ще раз, симуляції на допомогу.
Ілюстративний приклад
Але цього разу симуляції мають додаткову допомогу. Вони мають реальні живі дані, з якими можна працювати. Не дані з раннього Всесвіту (оскільки у нас його ще немає), а дані з сусіднього Всесвіту. Ми створили карти та спостереження та до смішної міри вивчили властивості пилу між галактиками в нашому локальному патчі космосу. Ці дані потім підключаються до симуляцій раннього Всесвіту, щоб спробувати зробити максимально точні прогнози того, що насправді побачить Джеймс Вебб.
Це як би взяти зразки туману навколо вас, щоб спробувати зрозуміти, як насправді виглядає далекий маяк.
Нещодавно команда дослідників опублікувала результати з набору симуляцій під назвою Illustris. Як випливає з назви, ці симуляції неймовірно складні, включаючи не просто темну матерію та утворення галактик, але навіть імітуючи світло, що випромінюється з цих галактик, коли воно проходить через мільярди світлових років пилу і перетворюється на щось на зразок Джеймса Вебба.
Ключовою метою моделювання було передбачити, що побачить Джеймс Вебб у тому, що астрономи називають функцією світимості галактики. Це просто фантазійний спосіб сказати, скільки галактик кожного рівня яскравості буде видно: скільки справді яскравих, скільки середніх-яскравих, скільки тьмяних тощо. На функцію освітленості галактики впливають властивості темної матерії: наприклад, якщо темна матерія відчуває себе особливо незграбною, то у нашому Всесвіті будуть більш яскраві галактики, і це змістить цю функцію світності.
Але на саму функцію світності також впливає пил, оскільки пил змінює все світло, що випромінюється з усіх галактик. Ці симуляції є одними з перших спроб створити картину в кінці, яка пов'язує те, що побачить Джеймс Вебб (іншими словами, якими будуть фактично дані) з базовою фізикою темної матерії та утворенням галактик.
Звичайно, це лише перший крок; ці симуляції передбачають безліч припущень та найкращих здогадок на основі сучасних спостережень. Але я впевнений, що до того моменту, коли Джеймс Вебб фактично літає, ми матимемо набагато більше даних та ще багато моделювання під поясом.
Читайте більше: "Прогнози високого червоного зміщення JWST від IllustrisTNG: Моделювання пилу та функції світності галактики"
