Amikor az első galaxisokról van szó, a James Webb Űrtávcső megpróbálja megérteni e galaxisok kialakulását és azok kapcsolatát a mögöttes sötét anyaggal. Tehát a galaxisok - és különösen azok kialakulásának - tanulmányozásával kaphatunk néhány tippet a sötét anyag működéséről. Legalábbis ez a remény. Kiderül, hogy a csillagászat ennél kicsit bonyolultabb, és az egyik legfontosabb dolog, amellyel ezen távoli galaxisok tanulmányozásakor szembe kell néznünk, a por. Sok por.
Így van: jó régimódi por. Néhány képzeletbeli szimulációnak köszönhetően tisztázni kezdjük a képet.
Legyen világosság
A galaxisok először nagyon régen kezdtek képződni, alig néhány száz millió évvel a világegyetem történetében. De eddig nincs közvetlen képünk az első galaxisokról. Egyszerűen túl messze vannak, hogy fényük hatalmas távcső nélkül érjen el minket. Mi több, mivel annyira távoliak és az univerzum kibővült a fényük kibocsátása óta, már nem világítanak a látható fényben. Fényük vörösre váltott az infravörös spektrumra. Tehát ahhoz, hogy bármilyen esélyünk legyen ezeknek a csecsemő galaxisoknak a feltérképezésére, nagy infravörös távcsőre van szükségünk. Lépjen be a James Webbbe.
A James Webb nem felmérési eszköz; nem fogja feltérképezni a világegyetem hihetetlenül nagy mennyiségét. De határozottan elkészít nekünk néhány portrét arról, hogy milyen volt az univerzum több mint 13 milliárd évvel ezelőtt, és különösen arról, hogy mik azok a fiatal galaxisok. És ezeknek a galaxisoknak a felépítése és összetétele függ a mögöttes sötét anyagtól. A galaxisok kialakulását mindegyik, a sötét anyag mennyiségétől kezdve, miből éppen készül, és az, hogy hogyan határozza meg a csoportosítást. A sötét anyag ezen (jelenleg ismeretlen) tulajdonságai megváltoztatják, hogy hány galaxis létezik, mennyire fényesek, és még milyen csillagokat is befogadnak.
A galaxisok és a sötét anyag közötti kapcsolat azonban valójában csak a szimulációkban érthető meg. Ennek oka az, hogy nincs sok közvetlen megfigyelés a sötét anyagról (mintha a név önmagában sem ad semmire utalást). Röviden: nem értjük teljesen, mi a sötét anyag. Tehát néha meg kell kitalálnunk, és ezeket a kitalálásokat belefoglaljuk az univerzum növekedésének számítógépes szimulációjára, és látjuk, hogy a normál anyag, például a csillagok, a gáz és a por reagál erre, és galaxisokat képez.
Legyen por
Tehát, összehasonlítva a galaxisok tényleges képeit és statisztikáit, amelyeket James Webb mutatott fel a különféle szimulációinkkal, remélhetőleg megtalálhatjuk a legjobb illesztést és kiválaszthatjuk, melyik sötét anyag modellje a legpontosabb. Innentől még többet megtudhatunk az univerzumról, például egzotikus gravitációs modellek vadászatáról vagy akár a sötét energia titokzatos természetére utalásról (amely egy teljesen különálló cikk).
Ez egyértelműnek hangzik, de nem az. A világegyetemben zajló megfigyelések nagyon rendetlenek és bonyolultak, és általában nagyon nehézek, mert az univerzumunkban sokkal több van, nem csupán a csillagok és galaxisok, a sötét anyag és a James Webb Űrtávcső.
Por is van. Nagyon sok.
A por szén- és oxigénhálókból és még sok másból áll, és a galaxisok belsejében, a galaxisok körül és a galaxisok között forog és forog. Kiderült, hogy a galériák közötti tér elég rendetlen hely. Csak por van. És a por összekeveri a fényt.
Mivel a távoli galaxisokból származó fény milliárd fényév alatt áthalad a James Webb eléréséig, sok port keresztezi. Ez a por szétszórja, gyengíti és vöröseltolódja. Más szavakkal, ha megpróbáljuk megérteni, hogy néznek ki ezek a fiatal galaxisok, akkor ezeket a galaxisokat csak egy ködös ködön keresztül láthatjuk. Tehát nincs - és soha nem is fogunk kapni - tiszta képet a korai világegyetemről.
Még egyszer, szimulációk a mentéshez.
Illusztráló példa
De ezúttal a szimulációknak van némi extra segítsége. Valódi élő adataik vannak, amelyekkel dolgozni lehet. Nem a korai világegyetem adatai (mert még nem rendelkezünk ilyenekkel), hanem a közeli világegyetem adatai. Térképeket és megfigyeléseket készítettünk, és nevetséges mértékben tanulmányoztuk a por tulajdonságait a galaxisok között a kozmosz helyi javításában. Ezeket az adatokat beillesztik a korai világegyetem szimulációjába, hogy megpróbálják a lehető legpontosabb előrejelzéseket készíteni arról, amit James Webb valójában látni fog.
Olyan, mintha a ködből mintákat veszne körülötted, hogy megértse, hogy egy távoli világítótorony valójában hogyan néz ki.
Nemrégiben egy kutatók egy csoportja publikálta az Illustris nevű szimulációs készlet eredményeit. Ahogy a neve is sugallja, ezek a szimulációk hihetetlenül kifinomultak, és nemcsak a sötét anyaggal és a galaxisok képződésével járnak, hanem a galaxisok által kibocsátott fényt is szimulálják, amikor több milliárd fényévnyi poron áthalad, és James Webbhez hasonlóan.
A szimulációk fő célja az volt, hogy megjósolják, amit James Webb lát majd abban, amit csillagászok galaxis fényerősség-függvényének neveznek. Ez csak egy képzeletbeli módszer annak kimondására, hogy az egyes fényerő-szintű hány galaxist látni fogja: hány valóban fényes, hány közepes fényű, hány homályos és így tovább. A galaxis fényességének funkcióját befolyásolják a sötét anyag tulajdonságai: például ha a sötét anyag különösen kövérnek érzi magát, akkor az univerzumunk fényesebb galaxisai vannak, és ez eltolja ezt a fényerő funkciót.
De maga a fényerő függvényt a por is befolyásolja, mivel a por megváltoztatja az összes galaxis által kibocsátott összes fényt. Ezek a szimulációk egyike annak az első kísérletnek, amely végpontból képeket készít, összekapcsolva azt, amit James Webb lát (tehát az adatok valójában lesznek) a sötét anyag és a galaxisok kialakulásának alapfizikájával.
Természetesen ez csak az első lépés; ezek a szimulációk sok feltételezést és legjobban kitalálást tartalmaznak a jelenlegi megfigyelések alapján. De biztos vagyok abban, hogy addigra a pillanatra, amikor a James Webb valóban repül, sokkal több adat és szimuláció lesz a heveder alatt.
Bővebben: “Magas vöröseltolódású JWST-előrejelzések az IllustrisTNG-től: Pormodellek és galaxisok fényességfüggvényei”
