Когда дело доходит до первых галактик, космический телескоп Джеймса Уэбба попытается понять формирование этих галактик и их связь с лежащей в основе темной материей. Таким образом, изучая галактики - и особенно их формирование - мы можем получить некоторые подсказки о том, как работает темная материя. По крайней мере, это надежда. Оказывается, астрономия немного сложнее, и при изучении этих далеких галактик нам приходится иметь дело с пылью. Много пыли.
Это верно: старая добрая старомодная пыль. И благодаря некоторым модным симуляциям мы начинаем прояснять картину.
Да будет свет
Галактики впервые начали формироваться довольно давно, всего за несколько сотен миллионов лет в истории нашей вселенной. Но пока у нас нет прямых изображений этих первых галактик. Они просто слишком далеко, чтобы их свет мог добраться до нас без массивного телескопа. Более того, поскольку они так далеки и вселенная расширилась с момента испускания их света, они больше не светятся в видимом свете. Их свет был смещен в инфракрасный спектр. Таким образом, чтобы иметь хоть какой-то шанс на картирование этих галактик, нам нужен большой инфракрасный телескоп. Войдите в Джеймса Уэбба.
Джеймс Уэбб не является инструментом опроса; это не отобразит невероятно большой объем вселенной. Но это определенно даст нам некоторые портреты того, на что была похожа Вселенная более 13 миллиардов лет назад, и особенно на то, какими были эти молодые галактики. И структура и состав этих галактик зависит от основной темной материи. Все от количества темной материи, из чего она состоит и как она решает сгруппировать все это влияет на формирование галактик. Эти (в настоящее время неизвестные) свойства темной материи изменяют количество галактик, их яркость и даже то, какие звезды они содержат.
Однако эта связь между галактиками и темной материей действительно понятна только в симуляциях. Это потому, что у нас не так много прямых наблюдений за темной материей (как будто само название не дает вам подсказки). Короче говоря, мы не до конца понимаем, что такое темная материя. Поэтому иногда нам приходится догадываться, и мы помещаем эти предположения в компьютерную симуляцию роста Вселенной, и мы видим, как нормальная материя, такая как звезды, газ и пыль, реагирует на это и образует галактики.
Пусть там будет пыль
Таким образом, сравнивая фактические изображения и статистику галактик, обнаруженных Джеймсом Уэббом, с нашими различными симуляциями, мы можем надеяться, что найдем лучшее совпадение и выберем, какая модель темной материи является наиболее точной. Оттуда мы можем узнать еще больше о вселенной, например, охоту на экзотические модели гравитации или даже получить представление о таинственной природе темной энергии (это совершенно отдельная статья).
Это звучит просто, но это не так. Наблюдения во Вселенной очень запутанные и сложные и, как правило, очень сложные, потому что в нашей вселенной гораздо больше, чем просто звезды, галактики и темная материя и космический телескоп Джеймса Уэбба.
Там также пыль. Много этого.
Пыль состоит из нитей углерода и кислорода и более, вращающихся и вращающихся внутри галактик, вокруг галактик и между галактиками. Оказывается, межгалактическое пространство - довольно грязное место. Там просто пыль. И пыль смешивается со светом.
Когда свет от этих далеких галактик проходит через миллиарды и миллиарды световых лет, чтобы достичь Джеймса Уэбба, он пересекает много пыли. Эта пыль рассеет его, ослабит, а также сместит его. Другими словами, если мы пытаемся понять, как выглядят эти молодые галактики, мы можем видеть эти галактики только через туманный туман. Таким образом, мы не имеем и никогда не получим прямых четких изображений ранней вселенной.
Еще раз, симуляции на помощь.
Наглядный пример
Но на этот раз симуляции имеют дополнительную помощь. У них есть реальные данные для работы. Не данные из ранней вселенной (потому что у нас ее еще нет), а данные из соседней вселенной. Мы построили карты и наблюдения и до смешного изучили свойства пыли между галактиками в нашем локальном уголке космоса. Эти данные затем включаются в моделирование ранней вселенной, чтобы попытаться сделать как можно более точные прогнозы того, что на самом деле увидит Джеймс Уэбб.
Это все равно, что взять образцы тумана вокруг вас, чтобы попытаться понять, как на самом деле выглядит отдаленный маяк.
Недавно команда исследователей опубликовала результаты серии симуляций под названием Illustris. Как следует из названия, эти симуляции невероятно сложны и включают не только темную материю и образование галактик, но даже симуляцию света, испускаемого этими галактиками, когда он проходит через миллиарды световых лет пыли и превращается в нечто вроде Джеймса Уэбба.
Основной целью моделирования было предсказать, что Джеймс Уэбб увидит в том, что астрономы называют функцией светимости галактики. Это просто причудливый способ сказать, сколько галактик каждого уровня яркости будет видно: сколько действительно ярких, сколько средне ярких, сколько тусклых и так далее. На функцию светимости галактики влияют свойства темной материи: например, если темная материя чувствует себя особенно комковатой, то у нашей вселенной будет больше ярких галактик, и это сместит эту функцию светимости.
Но сама функция светимости также зависит от пыли, потому что пыль меняет весь свет, излучаемый всеми галактиками. Эти симуляции являются одними из первых попыток предоставить сквозную картину, связывающую то, что увидит Джеймс Уэбб (другими словами, какими будут данные), с основной физикой образования темной материи и галактики.
Конечно, это только первый шаг; эти моделирования включают в себя множество предположений и наилучших предположений, основанных на текущих наблюдениях. Но я уверен, что к тому моменту, как Джеймс Уэбб взлетит, у нас будет намного больше данных и больше симуляций под нашим поясом.
Подробнее: «Прогнозы JWST с высоким красным смещением от IllustrisTNG: моделирование пыли и функции светимости галактик»
