כשמדובר בגלקסיות הראשונות, טלסקופ החלל ג'יימס ווב ינסה להבין את היווצרותן של הגלקסיות הללו ואת הקשר שלהן לחומר האפל שעומד בבסיסה. לכן על ידי לימוד הגלקסיות - ובמיוחד התהוותן - אנו יכולים לקבל כמה רמזים כיצד עובד החומר האפל. לפחות זו התקווה. מסתבר שהאסטרונומיה היא קצת יותר מסובכת מזה, ואחד הדברים העיקריים שעלינו להתמודד איתם כאשר אנו לומדים גלקסיות רחוקות אלה הוא אבק. הרבה אבק.
זה נכון: אבק מיושן וטוב. ותודה לכמה הדמיות מהודרות, אנו מתחילים לנקות את התמונה.
ויהי אור
הגלקסיות התחילו להיווצר לפני זמן רב למדי, רק כמה מאות מיליון שנים לתולדות היקום שלנו. אך עד כה אין לנו תמונות ישירות של אותן גלקסיות ראשונות. הם פשוט רחוקים מכדי שהאור שלהם יגיע אלינו בלי טלסקופ מסיבי. מה שכן, מכיוון שהם כל כך מרוחקים והיקום התפשט מאז שנפלט האור שלהם, הם כבר לא זוהרים באור נראה. האור שלהם הועבר מחדש לספקטרום האינפרא אדום. אז כדי שיהיה לנו סיכוי בכלל למפות את גלקסיות התינוקות האלה אנו זקוקים לטלסקופ אינפרא אדום גדול. היכנסו לג'יימס ווב.
ג'יימס ווב אינו מכשיר סקר; זה לא ימפה נפח גדול מאוד של היקום. אבל זה בהחלט ייתן לנו כמה דיוקנאות של איך היה היקום לפני למעלה מ 13 מיליארד שנה, ובמיוחד איך היו גלקסיות צעירות אלה. והמבנה וההרכב של אותן גלקסיות תלויות בחומר האפל הבסיסי. הכל מכמות החומר האפל, ממה בדיוק הוא עשוי וכיצד הוא מחליט לקבץ יחד כל אלה משפיעים על היווצרות הגלקסיות. תכונות אלה (הלא ידועות כרגע) של חומר אפל משנות את מספר הגלקסיות שיש, כמה הן בהירות ואפילו אילו סוגים של כוכבים הם מארחים.
עם זאת, קשר זה בין גלקסיות לחומר אפל מובן רק בסימולציות. הסיבה לכך היא שאין לנו הרבה תצפיות ישירות על חומר אפל (כאילו השם עצמו לא נתן לך מושג). בקיצור, אנחנו לא מבינים לגמרי מה זה חומר אפל. אז לפעמים עלינו לנחש, ונניח את הניחושים הללו בתוך הדמיה ממוחשבת של צמיחת היקום, ואנחנו רואים כיצד חומר נורמלי כמו כוכבים וגז ואבק מגיבים לזה ויוצרים גלקסיות.
שיהיה אבק
אז על ידי השוואה בין התמונות והנתונים הסטטיסטיים בפועל של גלקסיות שנחשפו על ידי ג'יימס ווב לסימולציות השונות שלנו, אנו נקווה למצוא את ההתאמה הטובה ביותר ולבחור איזה מודל של חומר אפל הוא המדויק ביותר. משם נוכל ללמוד עוד יותר על היקום, כמו ציד אחר דגמי כוח משיכה אקזוטיים או אפילו לקבל מושג לגבי אופיה המסתורי של אנרגיה אפלה (שהיא מאמר נפרד לחלוטין).
זה נשמע פשוט אבל זה לא. תצפיות ביקום מאוד מבולגנות ומסובכות ובאופן כללי מאוד קשות, מכיוון שיש ביקום שלנו הרבה יותר מסתם כוכבים וגלקסיות וחומר אפל וטלסקופ החלל ג'יימס ווב.
יש גם אבק. הרבה מזה.
אבק עשוי ממיתרי פחמן וחמצן ועוד, מסתובב ומתפתל בתוך גלקסיות, סביב גלקסיות ובין גלקסיות. מסתבר שהמרחב הבין-גלקטי הוא מקום די מבולגן. יש רק אבק. ואבק מתמודד עם אור.
כאשר האור מאותן גלקסיות רחוקות עובר מיליארדים על מיליארדי שנות אור כדי להגיע לג'יימס ווב, הוא מצטלב אבק רב. האבק הזה יפזר אותו, יחליש אותו, וגם יעביר אותו מחדש. במילים אחרות, אם אנו מנסים להבין כיצד נראות הגלקסיות הצעירות הללו, אנו יכולים לראות רק את הגלקסיות הללו דרך ערפל מעורפל. אז אין לנו - ולעולם לא נקבל - תמונות ברורות של היקום המוקדם.
שוב, הדמיות להצלה.
דוגמא להמחשה
אבל הפעם יש בסימולציות סיוע נוסף. יש להם נתונים חיים אמיתיים לעבוד איתם. לא נתונים מהיקום הקדום (מכיוון שעדיין אין לנו את זה) אלא נתונים מהיקום הסמוך. בנינו מפות ותצפיות ולמדנו במידה מגוחכת את המאפיינים של אבק בין גלקסיות בשטח הקוסמוס המקומי שלנו. נתונים אלה מחוברים לאחר מכן להדמיות של היקום המוקדם כדי לנסות ולהניח תחזיות מדויקות ככל האפשר לגבי מה שג'יימס ווב יראה בפועל.
זה כמו לקחת דגימות מהערפל סביבך כדי לנסות להבין איך נראה מגדלור רחוק.
לאחרונה צוות חוקרים פרסם תוצאות מתוך חבילת הדמיות בשם Illustris. כפי שהשם מרמז, הדמיות אלה מתוחכמות להפליא, ולא כוללות רק חומר אפל והיווצרות גלקסיות, אלא אפילו מדמות את האור הנפלט מהגלקסיות הללו כשהוא עובר דרך מיליארדי שנות אור של אבק ולמשהו כמו ג'יימס ווב.
מטרת המפתח של ההדמיות הייתה לנבא את מה שג'יימס ווב יראה במה שאסטרונומים מכנים פונקציית הזוהר של הגלקסיה. זו רק דרך מהודרת לומר כמה גלקסיות בכל רמה של בהירות ייראו: כמה באמת בהירות, כמה בהירות בהירות בינוניות, כמה אפלוליות וכדומה. פונקציית הזוהר של הגלקסיה מושפעת מהתכונות של החומר האפל: לדוגמה, אם החומר האפל מרגיש מגושם במיוחד, יקום ליקום שלנו גלקסיות בהירות יותר וזה יעביר את פונקציית הזוהר הזו.
אך תפקוד הזוהר עצמו מושפע גם מהאבק, מכיוון שהאבק משנה את כל האור הנפלט מכל הגלקסיות. הדמיות אלה הן כמה מהניסיונות הראשונים לספק תמונה מקצה לקצה המקשרת בין מה שג'יימס ווב יראה (במילים אחרות, מה יהיו הנתונים בפועל) לפיזיקה העומדת בבסיס חומר אפל ויצירת גלקסיות.
כמובן שזה רק הצעד הראשון; הדמיות אלה כוללות הרבה הנחות וניחושים מיטביים המבוססים על תצפיות עכשוויות. אבל אני בטוח שעד שג'יימס ווב אכן עף יהיה לנו הרבה יותר נתונים והרבה יותר הדמיות מתחת לחגורה שלנו.
קרא עוד: "תחזיות JWST מהירות אדומה גבוהה של IllustrisTNG: דוגמנות אבק ופונקציות בהירות גלקסיות"
