Když přijde na první galaxie, kosmický dalekohled James Webb se bude snažit pochopit vznik těchto galaxií a jejich spojení s temnou hmotou v pozadí. Studiem galaxií - a zejména jejich formováním - můžeme získat několik rad, jak temná hmota funguje. Alespoň to je naděje. Ukazuje se, že astronomie je o něco složitější a jednou z hlavních věcí, kterou musíme při studiu těchto vzdálených galaxií řešit, je prach. Hodně prachu.
To je pravda: dobrý staromódní prach. A díky nějakým efektním simulacím začneme obrázek vyjasňovat.
Budiž světlo
Galaxie se začaly formovat docela dávno, jen pár stovek milionů let do historie našeho vesmíru. Zatím ale nemáme žádné přímé představy o těchto prvních galaxiích. Jsou prostě příliš daleko na to, aby se k nám jejich světlo dostalo bez masivního dalekohledu. A co víc, protože jsou tak vzdálené a vesmír se od doby, kdy bylo vyzařováno jejich světlo, rozpínal, už ve viditelném světle již nezasvítí. Jejich světlo bylo přesměrováno dolů na infračervené spektrum. Abychom měli při mapování těchto kojeneckých galaxií vůbec šanci, potřebujeme velký infračervený dalekohled. Zadejte James Webb.
James Webb není nástrojem průzkumu; nebude mapovat neuvěřitelně velký objem vesmíru. Určitě nám však poskytne několik portrétů o tom, jaký byl vesmír před více než 13 miliardami let, a zejména o tom, jaké byly ty mladé galaxie. A struktura a složení těchto galaxií závisí na základní temné hmotě. Všechno z množství temné hmoty, z čeho přesně je vyrobeno a jak se rozhodne seskupit všechny ovlivňuje formování galaxií. Tyto (v současné době neznámé) vlastnosti temné hmoty mění, kolik galaxií je, jak jsou jasné a jaké druhy hvězd hostují.
Toto spojení mezi galaxiemi a temnou hmotou je však skutečně pochopeno pouze v simulacích. Je to proto, že nemáme mnoho přímých pozorování tmavé hmoty (jako by vám samotné jméno nedalo vodítko). Stručně řečeno, úplně nerozumíme, co je temná hmota. Takže někdy musíme hádat a tyto odhady vkládáme do počítačové simulace růstu vesmíru a vidíme, jak na to reagují normální hmoty, jako jsou hvězdy, plyn a prach, a vytvářejí galaxie.
Nechte tam být prach
Porovnáním skutečných obrázků a statistik galaxií odhalených Jamesem Webbem s našimi různými simulacemi můžeme tedy najít ten nejlepší zápas a vybrat, který model temné hmoty je nejpřesnější. Odtud se můžeme dozvědět ještě více o vesmíru, jako je lov exotických modelů gravitace nebo dokonce získání vodítka ohledně tajemné povahy temné energie (což je zcela samostatný článek).
Zní to jednoduše, ale není. Pozorování ve vesmíru je velmi chaotická a komplikovaná a obecně velmi těžká, protože v našem vesmíru je mnohem víc než jen hvězdy a galaxie a temná hmota a kosmický dalekohled James Webb.
Je tu také prach. Hodně z toho.
Prach je tvořen řetězci uhlíku a kyslíku a více, točením a vířením uvnitř galaxií, kolem galaxií a mezi galaxiemi. Ukázalo se, že mezigalaktický prostor je pěkně chaotický. Je tu jen prach. A prachové zmatky se světlem.
Jak světlo z těchto vzdálených galaxií prochází miliardami po miliardách světelných let, aby dosáhlo James Webb, protíná se hodně prachu. Ten prach ho rozptýlí, oslabí a také redshift. Jinými slovy, pokud se snažíme pochopit, jak tyto mladé galaxie vypadají, můžeme tyto galaxie vidět pouze prostřednictvím mlhavé mlhy. Nemáme tedy - a nikdy se nedostaneme - přímé jasné obrazy raného vesmíru.
Ještě jednou, simulace k záchraně.
Ilustrativní příklad
Ale tentokrát mají simulace nějakou další pomoc. Mají skutečná živá data, se kterými mohou pracovat. Ne data z raného vesmíru (protože to zatím nemáme), ale data z blízkého vesmíru. Postavili jsme mapy a pozorování a studovali jsme směšně vlastnosti prachu mezi galaxiemi v naší lokální části vesmíru. Tato data se pak zapojí do simulací raného vesmíru a snaží se co nejpřesnější předpovědi toho, co James Webb skutečně uvidí.
Je to jako odebrat vzorky mlhy kolem vás, abychom se pokusili pochopit, jak vlastně vypadá vzdálený maják.
Nedávno tým vědců publikoval výsledky ze sady simulací zvaných Illustris. Jak už název napovídá, tyto simulace jsou neuvěřitelně sofistikované a zahrnují nejen temnou hmotu a tvorbu galaxií, ale dokonce simulují světlo emitované z těchto galaxií, když prochází miliardami světelných let prachu a do něčeho, jako je James Webb.
Hlavním cílem simulací bylo předpovídat, co James Webb uvidí v tom, co astronomové nazývají funkcí galaxie luminosity. Je to jen fantastický způsob, jak říct, kolik galaxií na každé úrovni jasu bude vidět: kolik skutečně jasných, kolik středně jasných, kolik slabých atd. Funkce galaxie luminosity je ovlivněna vlastnostmi temné hmoty: například, pokud se temná hmota cítí obzvláště neohrabaně, bude mít náš vesmír jasnější galaxie a to posune tuto funkci jasu.
Samotná funkce jasu je však také ovlivněna prachem, protože prach mění veškeré světlo emitované ze všech galaxií. Tyto simulace jsou některé z prvních pokusů o poskytnutí komplexního obrazu spojujícího to, co James Webb uvidí (jinými slovy, jaká budou data skutečně), s podkladovou fyzikou formování temné hmoty a galaxií.
To je samozřejmě jen první krok; tyto simulace zahrnují spoustu předpokladů a odhadů založených na současných pozorováních. Ale v době, kdy James Webb skutečně letí, jsem si jist, že budeme mít mnohem více dat a mnohem více simulací pod pásem.
Číst dále: „Předpovědi JWST s vysokým redshiftem od IllustrisTNG: Funkce modelování prachu a jasu galaxie“
