Esimeste galaktikate osas proovib James Webbi kosmoseteleskoop mõista nende galaktikate teket ja nende seost nende aluseks oleva tumeainega. Nii et uurides galaktikaid - ja eriti nende moodustumist - saame mõned näpunäited selle kohta, kuidas tumeaine toimib. Vähemalt see on lootus. Selgub, et astronoomia on natuke keerulisem ja üks peamisi asju, millega peame nende kaugete galaktikate uurimisel kokku puutuma, on tolm. Palju tolmu.
See on õige: hea vanaaegne tolm. Ja tänu mõnele väljamõeldud simulatsioonile hakkame pilti puhastama.
Las olla valgus
Galaktikad hakkasid esmakordselt moodustuma üsna ammu, vaid paarsada miljonit aastat meie universumi ajaloos. Kuid siiani pole meil nendest esimestest galaktikatest otsest pilti. Nad on lihtsalt liiga kaugel, et valgus pääseb meieni ilma massiivse teleskoobita. Veelgi enam, kuna nad on nii kaugel ja universum on pärast nende valguse kiirgust laienenud, ei sära nad enam nähtava valguse käes. Nende valgus on punaselt nihutatud infrapunaspektrisse. Nii et nende imikute galaktikate kaardistamiseks oleks üldse mingit võimalust, vajame suurt infrapuna teleskoopi. Sisenege James Webbisse.
James Webb ei ole küsitlusinstrument; see ei kaardista uskumatult suurt mahtu universumist. Kuid see annab meile kindlasti mõned portreed sellest, milline oli universum enam kui 13 miljardit aastat tagasi ja eriti mis need noored galaktikad olid. Ja nende galaktikate struktuur ja koostis sõltub nende aluseks olevast tumedast ainest. Galaktikate moodustumist mõjutavad kõik alates tumeda aine hulgast, sellest, millest see täpselt koosneb ja kuidas ta otsustab grupeerida. Need tumeda aine (praegu teadmata) omadused muudavad, kui palju galaktikaid seal on, kui heledad nad on ja isegi seda, milliseid tähti nad võõrustavad.
Seda galaktikate ja tumeaine vahelist seost mõistetakse tõepoolest ainult simulatsioonides. Seda seetõttu, et meil pole tumeda aine kohta palju otseseid vaatlusi (justkui nimi ise ei annaks teile aimugi). Lühidalt, me ei saa täielikult aru, mis on tume aine. Nii et mõnikord peame arvama ja paneme need arvamised universumi kasvu arvutisimulatsiooni ja näeme, kuidas normaalne mateeria, nagu tähed, gaas ja tolm, reageerivad sellele ja moodustavad galaktikaid.
Olgu tolm
Võrreldes James Webbi poolt ilmutatud galaktikate tegelikke pilte ja statistikat meie erinevate simulatsioonidega, saame loodetavasti leida parima vaste ja valida, milline tumeaine mudel on kõige täpsem. Sealt saame veelgi rohkem teada universumi kohta, näiteks eksootiliste gravitatsioonimudelite küttimine või isegi aimdus tumeda energia salapärasest olemusest (mis on täiesti eraldi artikkel).
See kõlab otsekoheselt, kuid ei ole. Vaatlused universumis on väga räpane ja keeruline ning üldiselt väga rasked, sest meie universumis on palju muud kui ainult tähed ja galaktikad ning tumeaine ja James Webbi kosmoseteleskoop.
Seal on ka tolmu. Palju sellest.
Tolm koosneb süsiniku ja hapniku ahelatest ja muust, keerledes ja keerledes galaktikate sees, galaktikate ümber ja galaktikate vahel. Selgub, et galaktikatevaheline ruum on üsna räpane koht. Seal on lihtsalt tolm. Ja tolm segab valgust.
Kuna James Webbini jõudmiseks läbib nendest kaugetest galaktikatest pärit valgus miljardeid valgusaastaid, läbib see palju tolmu. See tolm hajutab selle, nõrgestab seda ja paneb ka punast nihet. Teisisõnu, kui me üritame mõista, millised need noored galaktikad välja näevad, näeme neid galaktikaid ainult läbi uduse udu. Nii et meil pole - ja ei saa kunagi - selgeid varase universumi pilte.
Veel kord - simulatsioonid päästmiseks.
Illustreeriv näide
Kuid seekord on simulatsioonidest veidi abi. Neil on reaalajas andmeid, millega töötada. Mitte andmed varajase universumi kohta (kuna meil seda veel pole), vaid andmed lähedalasuva universumi kohta. Oleme koostanud kaarte ja tähelepanekuid ning uurinud meie kosmose kohalikus plaastris galaktikate vahel tolmu omadusi naeruväärselt. Seejärel ühendatakse need andmed varase universumi simulatsioonidega, et proovida teha võimalikult täpseid ennustusi selle kohta, mida James Webb tegelikult näeb.
See on nagu teie enda uduproovide võtmine, et proovida aru saada, kuidas kauge majakas tegelikult välja näeb.
Hiljuti avaldas teadlaste meeskond tulemusi simulatsioonide komplektist nimega Illustris. Nagu nimigi ütleb, on need simulatsioonid uskumatult keerukad, hõlmates mitte ainult tumedat ainet ja galaktikate moodustumist, vaid isegi simuleerivad nendest galaktikatest eralduvat valgust, kui see läbib miljardeid valgusaastaid tolmu ja millekski James Webbi taoliseks.
Simulatsioonide põhieesmärk oli ennustada, mida James Webb näeb selles, mida astronoomid nimetavad galaktikate heledusfunktsiooniks. See on lihtsalt väljamõeldud viis öelda, kui palju galaktikaid igal heledustasandil näha on: kui palju on tõeliselt heledaid, mitu keskmise heledusega, mitu tuhmi ja nii edasi. Galaktika heledusfunktsiooni mõjutavad tumeaine omadused: näiteks kui tumeaine on eriti kohmakas, siis on meie universumis eredamad galaktikad ja see nihutab seda heledusfunktsiooni.
Kuid heledusfunktsiooni ise mõjutab ka tolm, sest tolm muudab kogu galaktikatest eralduvat valgust. Need simulatsioonid on ühed esimestest katsetest pakkuda otsast lõpuni pilti, mis seob James Webbit (teisisõnu, millised andmed tegelikult on) tumeaine ja galaktikate moodustumise aluseks oleva füüsikaga.
Muidugi on see alles esimene samm; need simulatsioonid hõlmavad palju oletusi ja parimaid oletusi, mis põhinevad praegustel vaatlustel. Kuid ma olen kindel, et selleks ajaks, kui James Webb tegelikult lendab, on meie vöö all palju rohkem andmeid ja palju rohkem simulatsioone.
Loe lisaks: “IllustrisTNG ennustused suure punase nihkega JWST-st: tolmu modelleerimine ja galaktikate heleduse funktsioonid”
