Når det kommer til de første galakser, vil James Webb-rumteleskopet forsøge at forstå dannelsen af disse galakser og deres forbindelse til den underliggende mørke stof. Så ved at studere galakser - og især deres dannelse - kan vi få nogle tip om, hvordan mørkt stof fungerer. I det mindste er det håbet. Det viser sig, at astronomi er lidt mere kompliceret end det, og en af de vigtigste ting, vi er nødt til at tackle, når vi studerer disse fjerne galakser, er støv. Meget støv.
Det er rigtigt: godt gammeldags støv. Og takket være nogle smarte simuleringer, begynder vi at rydde op i billedet.
Lad der være lys
Galakser begyndte først at danne sig for ret længe siden, kun et par hundrede millioner år ind i universets historie. Men indtil videre har vi ingen direkte billeder af de første galakser. De er simpelthen for langt væk til, at deres lys kan nå os uden et massivt teleskop. Hvad mere er, fordi de er så fjerne og universet har udvidet sig siden deres lys blev udsendt, gløder de ikke mere i synligt lys. Deres lys er blevet forskudt ned til det infrarøde spektrum. Så for overhovedet at have nogen chance for at kortlægge disse spædbarnsgalakser har vi brug for et stort infrarødt teleskop. Gå ind på James Webb.
James Webb er ikke et undersøgelsesinstrument; det vil ikke kortlægge et utroligt stort volumen af universet. Men det vil bestemt give os nogle portrætter af, hvordan universet lignede for over 13 milliarder år siden, og især hvordan de unge galakser var. Og strukturen og sammensætningen af disse galakser afhænger af den underliggende mørke stof. Alt fra mængden af mørkt stof, hvad det præcist er lavet af, og hvordan det beslutter at gruppere sammen alt påvirker dannelsen af galakser. Disse (i øjeblikket ukendte) egenskaber ved mørk stof ændrer hvor mange galakser der er, hvor lyse de er, og endda hvilke slags stjerner de er vært for.
Imidlertid forstås denne forbindelse mellem galakser og mørk stof egentlig kun i simuleringer. Det skyldes, at vi ikke har mange direkte observationer af mørkt stof (som om selve navnet ikke gav dig en anelse). Kort sagt, vi forstår ikke helt, hvad mørk materie er. Så nogle gange er vi nødt til at gætte, og vi sætter disse gætte inde i en computersimulering af universets vækst, og vi ser, hvordan normal stof som stjerner og gas og støv reagerer på det og danner galakser.
Lad der være støv
Så ved at sammenligne de faktiske billeder og statistikker over galakser afsløret af James Webb med vores forskellige simuleringer, kan vi forhåbentlig finde den bedste match og vælge hvilken mørk stofmodel der er den mest nøjagtige. Derfra kan vi lære endnu mere om universet, som at jage efter eksotiske tyngdekraftsmodeller eller endda få en anelse om den mystiske natur af mørk energi (som er en helt separat artikel).
Dette lyder ligetil, men det er det ikke. Observationer i universet er meget rodede og komplicerede og generelt meget hårde, fordi der er meget mere i vores univers end bare stjerner og galakser og mørk materie og James Webb-rumteleskopet.
Der er også støv. Meget af det.
Støv er lavet af strenge af kulstof og ilt og mere, hvirvlende og hvirvlende inde i galakser, omkring galakser og mellem galakser. Det viser sig, at intergalaktisk rum er et ret rodet sted. Der er bare støv. Og støv rod med lys.
Når lyset fra disse fjerne galakser passerer milliarder på milliarder af lysår for at nå James Webb, skærer det en masse støv. Dette støv vil sprede det, svække det og også forskyde det. Med andre ord, hvis vi prøver at forstå, hvordan disse unge galakser ser ud, kan vi kun se disse galakser gennem en uklar tåge. Så vi har ikke - og får aldrig - direkte klare billeder af det tidlige univers.
Endnu en gang simuleringer til redning.
Et illustrativt eksempel
Men denne gang har simuleringerne lidt ekstra hjælp. De har rigtige live data at arbejde med. Ikke data fra det tidlige univers (fordi vi ikke har det endnu) men data fra det nærliggende univers. Vi har bygget kort og observationer og studeret i en latterlig grad egenskaberne ved støv i mellem galakser i vores lokale kosmos. Disse data tilsluttes derefter simuleringerne af det tidlige univers for at prøve at gøre så nøjagtige forudsigelser som muligt om, hvad James Webb rent faktisk vil se.
Det er som at tage prøver af tågen omkring dig for at prøve at forstå, hvordan et fjernt fyr faktisk ser ud.
For nylig offentliggjorde et forskerhold resultater fra en række simuleringer kaldet Illustris. Som navnet antyder, er disse simuleringer utroligt sofistikerede og involverer ikke kun mørkt stof og dannelsen af galakser, men endda simulerer det lys, der udsendes fra disse galakser, når det passerer gennem milliarder af lysår af støv og til noget som James Webb.
Hovedmålet med simuleringerne var at forudsige, hvad James Webb vil se i, hvad astronomer kalder galakens lysfunktion. Det er bare en fancy måde at sige, hvor mange galakser i hvert lysniveau, der vil blive set: hvor mange virkelig lyse, hvor mange mellemlys lyse, hvor mange dim, osv. Galaxens lysstyrkefunktion er påvirket af egenskaberne ved mørkt stof: hvis mørkt stof f.eks. Føles specielt klumpet, vil vores univers have mere lyse galakser, og dette vil ændre denne lysstyrkefunktion.
Men selve lysstyrken er også påvirket af støvet, fordi støvet ændrer alt det lys, der udsendes fra alle galakser. Disse simuleringer er nogle af de første forsøg på at tilvejebringe et ende-til-ende-billede, der forbinder, hvad James Webb vil se (med andre ord, hvad dataene faktisk vil være) til den underliggende fysik af mørkt stof og galaksdannelse.
Naturligvis er dette bare det første skridt; disse simuleringer involverer en masse antagelser og bedst gætte baseret på aktuelle observationer. Men jeg er sikker på, at når James Webb faktisk flyver, vil vi have meget mere data og meget mere simuleringer under vores bælte.
Læs mere: “Høj rødskift JWST-forudsigelser fra IllustrisTNG: Støvmodellering og galakse-lysstyrkefunktioner”
