Pokiaľ ide o prvé galaxie, vesmírny teleskop Jamesa Webba sa bude snažiť pochopiť vznik týchto galaxií a ich súvislosť s temnou hmotou ležiacou pod nimi. Štúdiom galaxií - a najmä ich formovaním - môžeme získať niekoľko rád, ako funguje temná hmota. Aspoň je to nádej. Ukazuje sa, že astronómia je o niečo zložitejšia a jednou z hlavných vecí, ktorú musíme pri štúdiu týchto vzdialených galaxií riešiť, je prach. Veľa prachu.
To je pravda: dobrý staromódny prach. A vďaka niekoľkým efektným simuláciám začíname obraz vyjasňovať.
Nech je tam svetlo
Galaxie sa začali formovať už dávno, len niekoľko stoviek miliónov rokov do histórie nášho vesmíru. Zatiaľ však nemáme žiadne priame snímky o týchto prvých galaxiách. Sú jednoducho príliš ďaleko na to, aby sa k nám svetlo dostali bez masívneho ďalekohľadu. A čo viac, pretože sú tak vzdialené a vesmír sa od vyžarovania ich svetla rozšíril, už viac nevyžarujú viditeľné svetlo. Ich svetlo bolo redshiftované na infračervené spektrum. Na to, aby sme pri mapovaní týchto detských galaxií vôbec mali šancu, potrebujeme veľký infračervený ďalekohľad. Zadajte web James.
James Webb nie je nástrojom prieskumu; nebude mapovať neuveriteľne veľký objem vesmíru. Určite nám však poskytne nejaké portréty toho, aký bol vesmír pred viac ako 13 miliardami rokov a najmä aké boli tie mladé galaxie. A štruktúra a zloženie týchto galaxií závisí od základnej temnej hmoty. Všetko z množstva temnej hmoty, z čoho presne je vyrobený a ako sa rozhodne zoskupiť, ovplyvňuje formovanie galaxií. Tieto (v súčasnosti neznáme) vlastnosti tmavej hmoty menia, koľko galaxií je, aké sú svetlé a dokonca aké druhy hviezd sú hostiteľmi.
Toto spojenie medzi galaxiami a temnou hmotou sa však v simuláciách naozaj rozumie. Je to preto, lebo nemáme veľa priamych pozorovaní temnej hmoty (akoby to samotné meno nedalo vodítko). Stručne povedané, úplne nerozumieme, čo je temná hmota. Takže niekedy musíme uhádnuť a tieto odhady vložíme do počítačovej simulácie rastu vesmíru a vidíme, ako na to reagujú normálne hmoty, ako sú hviezdy, plyn a prach, a vytvárajú galaxie.
Nechajte tam byť prach
Porovnaním skutočných obrazov a štatistík galaxií odhalených Jamesom Webbom s našimi rôznymi simuláciami môžeme teda nájsť ten najlepší zápas a vybrať, ktorý model temnej hmoty je najpresnejší. Odtiaľto sa môžeme dozvedieť ešte viac o vesmíre, ako je napríklad lov exotických modelov gravitácie alebo dokonca potuchy o záhadnej povahe temnej energie (ktorá je úplne samostatným článkom).
Znie to jednoducho, ale nie je to tak. Pozorovania vo vesmíre sú veľmi chaotické a komplikované a vo všeobecnosti veľmi ťažké, pretože v našom vesmíre je oveľa viac ako len hviezdy a galaxie a temná hmota a vesmírny teleskop Jamesa Webba.
Je tu tiež prach. Veľa z toho.
Prach je tvorený reťazcami uhlíka a kyslíka a ďalšími, otáčajúcimi sa a víriacimi sa vnútri galaxií, okolo galaxií a medzi galaxiami. Ukazuje sa, že medzigalaktický priestor je dosť chaotický. Je tu len prach. A prachové škvrny so svetlom.
Keď svetlo z týchto vzdialených galaxií prechádza miliardami miliárd svetelných rokov, aby dosiahlo James Webb, pretína veľa prachu. Ten prach ho rozptýli, zoslabí a tiež redshift. Inými slovami, ak sa snažíme porozumieť tomu, ako vyzerajú tieto mladé galaxie, môžeme tieto galaxie vidieť iba v hmle. Nemáme teda - a nikdy sa nedostaneme - priame jasné obrazy raného vesmíru.
Ešte raz simulácie na záchranu.
Ilustratívny príklad
Ale tentoraz simulácie majú nejakú ďalšiu pomoc. Majú skutočné živé údaje, s ktorými môžu pracovať. Nie údaje z raného vesmíru (pretože zatiaľ nemáme), ale údaje z blízkeho vesmíru. Vytvorili sme mapy a pozorovania a študovali sme v smiešnom rozsahu vlastnosti prachu medzi galaxiami v našej miestnej časti vesmíru. Tieto údaje sa potom zapoja do simulácií raného vesmíru, aby sa pokúsili urobiť čo najpresnejšie predpovede toho, čo James Webb skutočne uvidí.
Je to ako odobrať vzorky hmly okolo vás, aby ste pochopili, ako vlastne vyzerá vzdialený maják.
Tím vedcov nedávno publikoval výsledky zo súboru simulácií s názvom Illustris. Ako už názov napovedá, tieto simulácie sú neuveriteľne sofistikované a zahŕňajú nielen temnú hmotu a tvorbu galaxií, ale dokonca simulujú svetlo vyžarované z týchto galaxií, keď prechádza miliardami svetelných rokov prachu a do niečoho ako James Webb.
Hlavným cieľom simulácií bolo predpovedať, čo James Webb uvidí v tom, čo astronómovia nazývajú funkciou jasu galaxie. Je to len fantastický spôsob, ako povedať, koľko galaxií na každej úrovni jasu bude vidieť: koľko skutočne jasných, koľko stredne jasných, koľko slabých atď. Funkcia galaxie luminozity je ovplyvnená vlastnosťami temnej hmoty: napríklad, ak sa temná hmota cíti obzvlášť neohrabane, potom bude mať náš vesmír jasnejšie galaxie, čo posunie túto funkciu jasu.
Samotnú funkciu jasu však ovplyvňuje aj prach, pretože prach mení všetko svetlo emitované zo všetkých galaxií. Tieto simulácie sú niektoré z prvých pokusov o poskytnutie komplexného obrazu spájajúceho to, čo James Webb uvidí (inými slovami to, aké údaje skutočne budú) s podkladovou fyzikou formovania temnej hmoty a galaxie.
Toto je, samozrejme, iba prvý krok; tieto simulácie zahŕňajú veľa predpokladov a odhadov založených na súčasných pozorovaniach. Ale v čase, keď James Webb skutočne letí, som si istý, že budeme mať oveľa viac údajov a oveľa viac simulácií pod pásom.
Prečítajte si viac: „Predpovede JWST s vysokým redshiftom od spoločnosti IllustrisTNG: Funkcie modelovania prachu a svietivosti galaxií“
