Runājot par pirmajām galaktikām, Džeimsa Veba kosmiskais teleskops mēģinās izprast šo galaktiku veidošanos un to saikni ar pamatā esošo tumšo vielu. Tātad, pētot galaktikas un jo īpaši to veidošanos, mēs varam iegūt dažus padomus par tumšās matērijas darbību. Vismaz tā ir cerība. Izrādās, ka astronomija ir nedaudz sarežģītāka, un viena no galvenajām lietām, ar ko mums nākas saskarties, pētot šīs tālas galaktikas, ir putekļi. Daudz putekļu.
Tas ir pareizi: labi vecmodīgi putekļi. Un, pateicoties dažām izdomātām simulācijām, mēs sākam attīrīt attēlu.
Lai top gaisma
Galaktikas vispirms sāka veidoties diezgan sen, tikai dažus simtus miljonu gadu mūsu Visuma vēsturē. Bet līdz šim mums nav tiešu šo pirmo galaktiku attēlu. Viņi vienkārši ir pārāk tālu, lai gaisma mūs sasniegtu bez milzīga teleskopa. Turklāt, tā kā tie ir tik tāli un Visums ir paplašinājies kopš viņu gaismas izstarošanas, tie vairs nemirdz redzamā gaismā. Viņu gaisma ir sarkani novirzīta uz infrasarkano staru spektru. Tātad, lai vispār būtu iespējas izraudzīties šīs zīdaiņu galaktikas, mums ir nepieciešams liels infrasarkanais teleskops. Ievadiet Džeimsu Vebu.
Džeimss Vebs nav aptaujas instruments; tas nesastādīs neticami lielu Visuma tilpumu. Bet tas noteikti parādīs mums dažus portretus par to, kāds bija Visums pirms vairāk nekā 13 miljardiem gadu, un it īpaši, kādas bija šīs jaunās galaktikas. Un šo galaktiku uzbūve un sastāvs ir atkarīgs no pamatā esošās tumšās vielas. Viss, sākot no tumšās matērijas daudzuma, no tā, no kā tas tieši ir izgatavots, un no tā, kā tā nolemj sagrupēties, ietekmē galaktiku veidošanos. Šīs (pašlaik nezināmās) tumšās matērijas īpašības maina to, cik daudz galaktiku ir, cik spožas tās ir un pat kāda veida zvaigznes tās uzņem.
Tomēr šo savienojumu starp galaktikām un tumšo matēriju patiešām saprot tikai simulācijās. Tas ir tāpēc, ka mums nav daudz tiešu tumšās matērijas novērojumu (it kā pats nosaukums jums nebūtu devis pavedienu). Īsāk sakot, mēs pilnībā nesaprotam, kas ir tumšā matērija. Tāpēc dažreiz mums ir jāuzmin, un mēs šos minējumus ievietojam Visuma izaugsmes datorizētā modelēšanā un redzam, kā normāla matērija, piemēram, zvaigznes un gāze un putekļi, reaģē uz to un veido galaktikas.
Lai būtu putekļi
Tātad, salīdzinot Džeimsa Veba atklātos galaktiku faktiskos attēlus un statistiku ar mūsu dažādajām simulācijām, mēs, cerams, varam atrast labāko rezultātu un izvēlēties, kurš tumšās matērijas modelis ir visprecīzākais. No turienes mēs varam uzzināt vēl vairāk par Visumu, piemēram, meklējot eksotiskus gravitācijas modeļus vai pat iegūstot informāciju par tumšās enerģijas noslēpumaino dabu (kas ir pilnīgi atsevišķs raksts).
Tas izklausās tieši, bet tā nav. Novērojumi Visumā ir ļoti netīri un sarežģīti, un parasti ir ļoti grūti, jo mūsu Visumam ir daudz vairāk nekā tikai zvaigznes un galaktikas un tumšā viela un Džeimsa Veba kosmiskais teleskops.
Tur ir arī putekļi. Tā daudz.
Putekļi ir veidoti no oglekļa un skābekļa virknēm un vairāk, virpuļojot un virpojot galaktiku iekšpusē, ap galaktikām un starp galaktikām. Izrādās, ka starpgalaktiskā telpa ir diezgan nekārtīga vieta. Tur ir tikai putekļi. Un putekļi sajaucas ar gaismu.
Tā kā gaisma no šīm tālu galaktikām miljardiem gaismas gadu laikā iziet cauri miljardiem, lai sasniegtu Džeimsu Vebu, tā krusto daudz putekļu. Ka putekļi to izkliedēs, vājinās un sarkani pārbīdīs. Citiem vārdiem sakot, ja mēs mēģinām saprast, kā izskatās šīs jaunās galaktikas, mēs varam redzēt šīs galaktikas tikai caur miglainu miglu. Tātad mums nav - un nekad nesaņemsim - tiešus skaidrus agrīnā Visuma attēlus.
Atkal simulācijas glābšanai.
Ilustratīvs piemērs
Bet šoreiz simulācijām ir kāda papildu palīdzība. Viņiem ir reāli dzīvi dati, ar kuriem strādāt. Ne dati no agrīnā Visuma (jo mums tāda vēl nav), bet gan dati par tuvējo Visumu. Mēs esam izveidojuši kartes un novērojumus un smieklīgā mērā izpētījuši putekļu īpašības starp galaktikām mūsu vietējā kosmosa plāksterī. Pēc tam šie dati tiek ieslēgti agrīnā Visuma simulācijās, lai mēģinātu izdarīt pēc iespējas precīzākas prognozes par to, ko Džeimss Vebs patiesībā redzēs.
Tas ir tāpat kā ņemt apkārt esošās miglas paraugus, lai mēģinātu saprast, kā īsti izskatās tāla bāka.
Nesen pētnieku grupa publicēja simulāciju komplekta ar nosaukumu Illustris rezultātus. Kā norāda nosaukums, šīs simulācijas ir neticami sarežģītas, iesaistot ne tikai tumšo matēriju un galaktiku veidošanos, bet pat imitējot gaismu, ko izstaro no šīm galaktikām, kad tā iziet cauri miljardiem gaismas gadu putekļu un nonāk kaut kas līdzīgs Džeimsam Vebam.
Galvenais simulāciju mērķis bija paredzēt, ko Džeimss Vebs redzēs tajā, ko astronomi dēvē par galaktikas spilgtuma funkciju. Tas ir tikai izdomāts veids, kā pateikt, cik daudz galaktiku būs redzamas katrā spilgtuma līmenī: cik patiešām ir gaišas, cik vidēji gaišas, cik blāvas un tā tālāk. Galaktiku gaišuma funkciju ietekmē tumšās matērijas īpašības: piemēram, ja tumšā matērija jūtas īpaši saliekama, tad mūsu Visumam būs vairāk gaišu galaktiku, un tas mainīs šo gaismības funkciju.
Bet pašu gaismas funkciju ietekmē arī putekļi, jo putekļi maina visu gaismu, ko izstaro no visām galaktikām. Šīs simulācijas ir daži no pirmajiem mēģinājumiem sniegt pilnīgu attēlu, kas sasaista to, ko redzēs Džeimss Vebs (citiem vārdiem sakot, kādi būs dati faktiski) ar tumšās matērijas un galaktiku veidošanās pamatā esošo fiziku.
Protams, tas ir tikai pirmais solis; šīs simulācijas ietver daudz pieņēmumu un labāko uzminējumu, pamatojoties uz pašreizējiem novērojumiem. Bet es esmu pārliecināts, ka līdz tam laikam, kad Džeimss Vebs patiesībā lidos, zem jostas mums būs daudz vairāk datu un daudz vairāk simulāciju.
Lasīt vairāk: “Augstas sarkanās nobīdes JWST prognozes no IllustrisTNG: Putekļu modelēšana un galaktiku gaismības funkcijas”
