Ο Webb μπορεί να δοκιμάσει απευθείας μια θεωρία της σκοτεινής ύλης

By | February 12, 2024

Τι γίνεται με τους γαλαξίες και τη σκοτεινή ύλη; Οι περισσότεροι, αν όχι όλοι, οι γαλαξίες περιβάλλονται από φωτοστέφανα αυτού του μυστηριώδους, άγνωστου αλλά πανταχού παρόντος υλικού. Και έπαιξε επίσης ρόλο στο σχηματισμό των γαλαξιών. Η φύση αυτού του ρόλου είναι κάτι που οι αστρονόμοι εξακολουθούν να κατανοούν. Σήμερα, εξερευνούν το εκκολαπτόμενο Σύμπαν, αναζητώντας τους μικρότερους και φωτεινότερους γαλαξίες. Αυτό συμβαίνει επειδή θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην αφήγηση της ιστορίας του ρόλου της σκοτεινής ύλης στη γαλαξιακή δημιουργία.

Μια διεθνής ομάδα αστρονόμων με επικεφαλής τον Smadar Naoz του UCLA εκτελεί προσομοιώσεις του πρώιμου σχηματισμού γαλαξιών. Τα προγράμματα υπολογιστών τους παρακολουθούν τις συνθήκες των γεννήσεων σε γαλαξίες λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτά τα μοντέλα υπολογιστών “hot off the press” περιλαμβάνουν ορισμένες νέες δυνατότητες. Λαμβάνουν υπόψη τις μέχρι τώρα παραμελημένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ της σκοτεινής ύλης και της αρχέγονης «ουσίας» του Σύμπαντος. Αυτό θα ήταν υδρογόνο και αέριο ήλιο. Το αποτέλεσμα των προσομοιώσεων: μικροσκοπικοί, φωτεινοί γαλαξίες που σχηματίστηκαν πιο γρήγορα από ότι σε μοντέλα υπολογιστών που δεν περιλάμβαναν αυτές τις κινήσεις. Το μόνο που μένει να κάνουν οι αστρονόμοι είναι να τα βρουν, χρησιμοποιώντας το JWST, για να δουν αν οι θεωρίες τους για τη σκοτεινή ύλη ισχύουν.

Αλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης με την υπερηχητική βαρυονική ύλη

Πόση διαφορά θα έκαναν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ βαρυονικής και σκοτεινής ύλης; Εδώ είναι μια πιθανή ιστορία: Στο πρώιμο Σύμπαν, νέφη αερίου κινούνταν με υπερηχητικές ταχύτητες πέρα ​​από συστάδες σκοτεινής ύλης. Αναπήδησε από τη σκοτεινή ύλη. Τελικά, μετά από εκατομμύρια χρόνια, η αέρια ύλη ενώθηκε για να σχηματίσει αστέρια σε μια έκρηξη γέννησης αστεριών. Οι προσομοιώσεις της ομάδας παρακολουθούν τον σχηματισμό αυτών των γαλαξιών αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Ένα σύνθετο μοντέλο κατανομής ύλης στο Σύμπαν (με υπέρθεση σκοτεινής ύλης) σε μια προσομοίωση σχηματισμού γαλαξιών που πραγματοποιήθηκε από τη συνεργασία TNG.

Η ομάδα του Naoz πιστεύει ότι η ύπαρξη αυτών των μικρότερων, φωτεινότερων και πιο απομακρυσμένων γαλαξιών θα μπορούσε να επιβεβαιώσει το λεγόμενο μοντέλο της «ψυχρής σκοτεινής ύλης». Αυτό υποδηλώνει ότι το Σύμπαν ήταν σε μια καυτή, πυκνή κατάσταση που περιείχε μόνο αέριο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Με την πάροδο του χρόνου, η κατανομή των γαλαξιών (και τελικά των σμηνών γαλαξιών) έχει εξελιχθεί. Στην πορεία σχηματίστηκαν αστέρια και γαλαξίες, αλλά τα πρώτα στάδια πιθανότατα εξαρτώνται από τη βαρυτική αλληλεπίδραση με τη σκοτεινή ύλη. Εάν οι υπερηχητικές αλληλεπιδράσεις που διαμορφώθηκαν από την ομάδα του Naoz συνέβαιναν πράγματι, τότε αυτοί οι μικροί γαλαξίες θα ήταν το αποτέλεσμα.

Προσομοίωση σχηματισμού γαλαξιών και επιρροή της σκοτεινής ύλης

Το JWST έχει δει μερικούς αρκετά παλιούς γαλαξίες κατά τη διάρκεια της δραστηριότητάς του. Δεν έχει εντοπίσει ακόμη τα πρώτα. Ωστόσο, οι εικόνες που παρέχονται είναι δελεαστικές ενδείξεις για το τι μπορεί να υπήρχε σε προηγούμενες εποχές και θα μπορούσαν να παρέχουν μια εικόνα για το ρόλο της σκοτεινής ύλης. Είναι λοιπόν λογικό οι αστρονόμοι να θέλουν να γυρίσουν τον χρόνο όσο πιο μακριά γίνεται. Και αυτό σημαίνει ότι ψάχνουμε για φωτεινά σημεία φωτός που υπήρχαν μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Καλλιτεχνική σύλληψη των έναστρων γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν.  Τα αστέρια και οι γαλαξίες εμφανίζονται ως φωτεινά λευκά σημεία φωτός, ενώ η σκοτεινή ύλη και τα περισσότερα διάχυτα αέρια εμφανίζονται ως μωβ και κόκκινα.  Τα πρώτα νέφη αερίου αναπήδησαν από συστάδες σκοτεινής ύλης, μόνο για να ανασυνταχθούν κάτω από τη βαρύτητα της σκοτεινής ύλης, προκαλώντας το σχηματισμό άστρων.  Πίστωση: Aaron M. Geller/Northwestern/CIERA + IT-RCDS
Καλλιτεχνική σύλληψη των έναστρων γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν. Τα αστέρια και οι γαλαξίες αντιπροσωπεύονται από φωτεινά λευκά σημεία φωτός, ενώ η σκοτεινή ύλη και το αέριο αντιπροσωπεύονται από μωβ και κόκκινα. Τα πρώτα νέφη αερίου αναπήδησαν από συστάδες σκοτεινής ύλης, μόνο για να ανασυνταχθούν κάτω από τη βαρύτητα της σκοτεινής ύλης, προκαλώντας το σχηματισμό άστρων. Πίστωση: Aaron M. Geller/Northwestern/CIERA + IT-RCDS

«Η ανακάλυψη τμημάτων μικρών, φωτεινών γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν θα επιβεβαίωνε ότι βρισκόμαστε στο σωστό δρόμο με το μοντέλο ψυχρής σκοτεινής ύλης, επειδή μόνο η ταχύτητα μεταξύ δύο τύπων ύλης μπορεί να παράγει τον τύπο γαλαξία που αναζητούμε.» Naoz είπε. «Αν η σκοτεινή ύλη δεν συμπεριφέρεται όπως η τυπική ψυχρή σκοτεινή ύλη και δεν υπάρχει το φαινόμενο της ροής, τότε αυτοί οι φωτεινοί νάνοι γαλαξίες δεν θα βρεθούν και θα πρέπει να επιστρέψουμε στον πίνακα σχεδίασης».

Σε ένα άρθρο που γράφτηκε από το μέλος της ομάδας και την πρώτη συγγραφέα Claire Williams (δημοσιεύτηκε στο Επιστολές από αστροφυσικά περιοδικά), η ομάδα προτείνει στους επιστήμονες που χρησιμοποιούν το JWST να αρχίσουν να αναζητούν γαλαξίες που είναι πολύ φωτεινότεροι από το αναμενόμενο. Εάν υπάρχουν, αυτό πιθανότατα θα αποδείξει ότι οι αλληλεπιδράσεις συνέβησαν στην αρχή του κοσμικού χρόνου. Εάν δεν μπορεί να βρεθεί κανένα, τότε ίσως οι επιστήμονες να μην κατανοούν ακόμα τις αλληλεπιδράσεις με τη σκοτεινή ύλη. Το μεγάλο ερώτημα που πρέπει να απαντηθεί είναι: αν υπάρχουν, πώς σχηματίστηκαν τόσο γρήγορα και γιατί είναι τόσο φωτεινά;

Ροή μέσα από τους διαδρόμους της σκοτεινής ύλης

Ας το εξετάσουμε αυτό εξετάζοντας τον ρόλο της σκοτεινής ύλης. Το τυπικό κοσμολογικό μοντέλο λέει ότι η βαρυτική έλξη των σμηνών της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο Σύμπαν προσέλκυσε τη συνηθισμένη ύλη. Τελικά, αυτό προκάλεσε το σχηματισμό αστεριών, ακολουθούμενων από γαλαξίες. Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι κινείται πιο αργά από το φως. Έτσι, οι αστρονόμοι προέβλεψαν ότι οι διαδικασίες σχηματισμού άστρων και γαλαξιών θα συνέβαιναν πολύ σταδιακά. Τουλάχιστον αυτό υποδηλώνουν οι προηγούμενες προσομοιώσεις.

Τι θα γινόταν αν συνέβαινε κάτι άλλο πριν από περισσότερα από 13 δισεκατομμύρια χρόνια; Πώς θα άλλαζε αυτό τα πράγματα; Ήταν μια εποχή πριν σχηματιστούν οι πρώτοι γαλαξίες. Αλλά αυτή ήταν μια εποχή που η συνηθισμένη ύλη, με τη μορφή μεγάλων υπερπυκνοτήτων υδρογόνου και αερίου ηλίου, κινούνταν μέσα στο διαστελλόμενο Σύμπαν. Αναπήδησε από πιο αργά κινούμενες συστάδες σκοτεινής ύλης και ξεπέρασε τη βαρυτική του έλξη, τουλάχιστον για λίγο. Στη συνέχεια, η βαρυονική ύλη ανασυγκροτήθηκε ξανά, υπό την επίδραση της σκοτεινής ύλης. Τότε ήταν που ξεκίνησαν τα πυροτεχνήματα της γέννησης των αστεριών.

Αυτή η εικόνα δείχνει τον γαλαξία EGSY8p7, έναν φωτεινό γαλαξία από την αρχή του Σύμπαντος όπου η εκπομπή φωτός είναι ορατή, μεταξύ άλλων, από διεγερμένα άτομα υδρογόνου - εκπομπή Lyman-alpha.  Οι επιστήμονες αναζητούν αυτόν και άλλους νεαρούς γαλαξίες για να κατανοήσουν τον ρόλο που παίζει η σκοτεινή ύλη στην πρώιμη κοσμική ιστορία.
Αυτή η εικόνα δείχνει τον γαλαξία EGSY8p7, έναν φωτεινό γαλαξία από την αρχή του Σύμπαντος όπου η εκπομπή φωτός είναι ορατή, μεταξύ άλλων, από διεγερμένα άτομα υδρογόνου – εκπομπή Lyman-alpha. Οι επιστήμονες αναζητούν αυτόν και άλλους νεαρούς γαλαξίες για να κατανοήσουν τον ρόλο που παίζει η σκοτεινή ύλη στην πρώιμη κοσμική ιστορία.

«Ενώ η ροή κατέστειλε το σχηματισμό άστρων σε μικρότερους γαλαξίες, ενίσχυσε επίσης το σχηματισμό αστέρων σε νάνους γαλαξίες, προκαλώντας τους να επισκιάσουν περιοχές του σύμπαντος χωρίς ροή», είπε ο Williams. Ουσιαστικά, το συσσωρευμένο αέριο άρχισε να συγκεντρώνεται μετά από εκατομμύρια χρόνια. Αυτό οδήγησε σε μια τεράστια έκρηξη σχηματισμού άστρων. Πολλά νέα, τεράστια, καυτά αστέρια άρχισαν να λάμπουν, ξεπερνώντας τα αστέρια σε άλλους μικρούς γαλαξίες. Τελικά, αυτό σημαίνει ότι εφόσον η σκοτεινή ύλη είναι αδύνατο να «φανεί», αυτές οι περιοχές πολύ φωτεινών γαλαξιών θα μπορούσαν να αποτελούν έμμεση απόδειξη της ύπαρξής της. Και θα αποδείκνυαν τον ρόλο που έπαιξε η σκοτεινή ύλη στη δημιουργία των γαλαξιών.

Βρείτε αυτά τα φωτεινά σημεία

Κανείς δεν έχει δει ακόμα τι ακριβώς ψάχνει ο Naoz και η ομάδα του. Μόλις το κάνουν, θα βοηθήσει πολύ στην παροχή εικόνας για το ρόλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης. «Η ανακάλυψη τμημάτων μικρών, φωτεινών γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν θα επιβεβαίωνε ότι βρισκόμαστε στο σωστό δρόμο με το μοντέλο ψυχρής σκοτεινής ύλης, επειδή μόνο η ταχύτητα μεταξύ δύο τύπων ύλης μπορεί να παράγει τον τύπο γαλαξία που αναζητούμε.» Naoz είπε.

Φυσικά, το JWST είναι ένα τέλειο τηλεσκόπιο για να βοηθήσει να δούμε αυτούς τους γαλαξίες. Θα πρέπει να μπορεί να παρατηρεί περιοχές του Σύμπαντος όπου οι μικροσκοπικοί εκκολαπτόμενοι γαλαξίες είναι πιο φωτεινοί από ό,τι αναμένουν οι αστρονόμοι. Αυτή η εξαιρετική φωτεινότητα θα βοηθήσει το JWST να τα εντοπίσει, δείχνοντάς τα όπως ήταν σε μια εποχή που το Σύμπαν ήταν μόλις μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Επειδή είναι αδύνατο να μελετηθεί άμεσα η σκοτεινή ύλη, η αναζήτηση αυτών των φωτεινών περιοχών των μωρών γαλαξιών στο πρώιμο Σύμπαν θα μπορούσε να προσφέρει μια αποτελεσματική δοκιμή για θεωρίες σχετικά με τη σκοτεινή ύλη και τον ρόλο της στο σχηματισμό των πρώιμων γαλαξιών.

Για περισσότερες πληροφορίες

Οι φωτεινοί γαλαξίες δοκιμάζουν τη σκοτεινή ύλη
Το Supersonic Project: φωτίζει το αδύναμο άκρο της λειτουργίας φωτεινότητας UV του JWST

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *