Quando si tratta delle prime galassie, il James Webb Space Telescope tenterà di comprendere la formazione di quelle galassie e il loro legame con la materia oscura sottostante. Quindi, studiando le galassie - e in particolare la loro formazione - possiamo ottenere alcuni suggerimenti su come funziona la materia oscura. Almeno, questa è la speranza. Si scopre che l'astronomia è un po 'più complicata di così, e una delle cose principali che dobbiamo affrontare quando studiamo queste galassie lontane è la polvere. Molta polvere.
Esatto: buona polvere vecchio stile. E grazie ad alcune simulazioni fantasiose, stiamo iniziando a chiarire il quadro.
Sia la luce
Le galassie hanno iniziato a formarsi molto tempo fa, solo poche centinaia di milioni di anni nella storia del nostro universo. Ma finora non abbiamo immagini dirette di quelle prime galassie. Sono semplicemente troppo lontani perché la loro luce ci raggiunga senza un enorme telescopio. Inoltre, poiché sono così distanti e l'universo si è espanso da quando è stata emessa la loro luce, non brillano più nella luce visibile. La loro luce è stata spostata verso il rosso fino allo spettro infrarosso. Quindi, per avere qualche possibilità di mappare queste galassie infantili, abbiamo bisogno di un grande telescopio a infrarossi. Inserisci James Webb.
James Webb non è uno strumento di rilevamento; non mapperà un volume incredibilmente grande dell'universo. Ma ci darà sicuramente alcuni ritratti di come era l'universo oltre 13 miliardi di anni fa, e in particolare di come fossero quelle giovani galassie. E la struttura e la composizione di quelle galassie dipende dalla materia oscura sottostante. Tutto, dalla quantità di materia oscura, di cosa è fatta esattamente e come decide di raggruppare tutti influenzano la formazione di galassie. Queste proprietà (attualmente sconosciute) della materia oscura cambiano quante galassie ci sono, quanto sono luminose e persino che tipo di stelle ospitano.
Tuttavia, questa connessione tra galassie e materia oscura è realmente compresa solo nelle simulazioni. Questo perché non abbiamo molte osservazioni dirette sulla materia oscura (come se il nome stesso non ti fornisse un indizio). In breve, non comprendiamo appieno cos'è la materia oscura. Quindi a volte dobbiamo indovinare e mettere queste ipotesi all'interno di una simulazione al computer della crescita dell'universo, e vediamo come la materia normale come stelle, gas e polvere reagiscono a questo e formano galassie.
Let There Be Dust
Quindi, confrontando le immagini e le statistiche effettive delle galassie rivelate da James Webb con le nostre varie simulazioni, possiamo sperare di trovare la migliore corrispondenza e scegliere quale modello di materia oscura sia il più preciso. Da lì possiamo imparare ancora di più sull'universo, come la caccia a modelli di gravità esotici o persino ottenere un indizio sulla misteriosa natura dell'energia oscura (che è un articolo completamente separato).
Sembra semplice ma non lo è. Le osservazioni nell'universo sono molto confuse e complicate e generalmente molto difficili, perché c'è molto di più nel nostro universo oltre alle stelle e alle galassie e alla materia oscura e al James Webb Space Telescope.
C'è anche polvere. Molto.
La polvere è composta da fili di carbonio e ossigeno e altro ancora, volteggia e vortica all'interno delle galassie, attorno alle galassie e tra le galassie. Si scopre che lo spazio intergalattico è un posto piuttosto disordinato. C'è solo polvere. E la polvere sporca di luce.
Mentre la luce proveniente da quelle galassie distanti attraversa miliardi e miliardi di anni luce per raggiungere James Webb, interseca molta polvere. Quella polvere la disperderà, la indebolirà e anche la ridurrà. In altre parole, se stiamo cercando di capire come sono queste giovani galassie, possiamo solo vedere queste galassie attraverso una nebbia nebbiosa. Quindi non abbiamo - e non otterremo mai - immagini chiare dirette dell'universo primordiale.
Ancora una volta, simulazioni in soccorso.
Un esempio illustrativo
Ma questa volta le simulazioni hanno qualche aiuto extra. Hanno dati reali reali con cui lavorare. Non dati dall'universo primordiale (perché non lo abbiamo ancora fatto) ma dati dall'universo vicino. Abbiamo costruito mappe e osservazioni e studiato in modo ridicolo le proprietà della polvere tra le galassie nella nostra zona locale del cosmo. Questi dati vengono quindi collegati alle simulazioni dell'universo primordiale per cercare di fare previsioni il più accurate possibile di ciò che James Webb vedrà effettivamente.
È come prendere dei campioni di nebbia intorno a te per cercare di capire come appare realmente un faro distante.
Recentemente un team di ricercatori ha pubblicato i risultati di una suite di simulazioni chiamata Illustris. Come suggerisce il nome, queste simulazioni sono incredibilmente sofisticate, coinvolgendo non solo la materia oscura e la formazione di galassie, ma anche simulando la luce emessa da queste galassie mentre attraversa miliardi di anni luce di polvere e arriva in qualcosa come James Webb.
L'obiettivo principale delle simulazioni era prevedere ciò che James Webb vedrà in ciò che gli astronomi chiamano la funzione di luminosità della galassia. Questo è solo un modo fantasioso per dire quante galassie di ogni livello di luminosità saranno viste: quante veramente brillanti, quante medio-chiare, quante deboli e così via. La funzione di luminosità della galassia è influenzata dalle proprietà della materia oscura: ad esempio, se la materia oscura si sente particolarmente disordinata, il nostro universo avrà galassie più luminose e questo sposterà questa funzione di luminosità.
Ma la funzione di luminosità stessa è anche influenzata dalla polvere, perché la polvere sta cambiando tutta la luce emessa da tutte le galassie. Queste simulazioni sono alcuni dei primi tentativi di fornire un'immagine end-to-end che collega ciò che James Webb vedrà (in altre parole, quali saranno i dati in realtà) alla fisica sottostante della materia oscura e della formazione di galassie.
Naturalmente questo è solo il primo passo; queste simulazioni implicano molte ipotesi e ipotesi basate sulle osservazioni attuali. Ma sono sicuro che quando James Webb vola effettivamente avremo molti più dati e molte più simulazioni.
Per saperne di più: "Previsioni JWST redshift elevate di IllustrisTNG: modellazione di polveri e funzioni di luminosità della galassia"
