Jeżeli teorie zimnej ciemnej materii są poprawne, Teleskop Webba powinien znaleźć małe, jasne galaktyki wczesnego Wszechświata.
Przez ostatnie półtora roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dostarczał zadziwiające obrazy odległych galaktyk powstałych niedługo po Wielkim Wybuchu, dając naukowcom pierwszy wgląd w niemowlęcy Wszechświat. Teraz grupa astrofizyków postawiła sobie jeszcze większe wyzwanie: znaleźć najmniejsze i najjaśniejsze galaktyki w pobliżu początku czasów, w przeciwnym razie naukowcy będą zmuszeni do rewizji swoich teorii dotyczących ciemnej materii.
Zespół astrofizyków z UCLA przeprowadził symulacje, które śledziły powstawanie małych galaktyk po Wielkim Wybuchu. Po raz pierwszy uwzględnili wcześniej zaniedbywane interakcje między gazem a ciemną materią. Odkryli, że powstałe galaktyki są bardzo małe, znacznie jaśniejsze i tworzą się szybciej niż w typowych symulacjach, które nie uwzględniają tych interakcji, zamiast tego ujawniają znacznie słabsze galaktyki.
Małe galaktyki, znane również jako galaktyki karłowate, są obecne w całym Wszechświecie i często uważa się, że reprezentują najwcześniejszy typ galaktyk. Dla naukowców badających początki Wszechświata małe galaktyki są szczególnie interesujące. Jednak galaktyki karłowate, które znajdują, nie zawsze zgadzają się z oczekiwaniami. Te najbliższe Drodze Mlecznej wirują szybciej lub nie są tak gęste jak w symulacjach, co sugeruje, że modele mogły pominąć pewne czynniki, na przykład interakcje gazu z ciemną materią.
Nowe badania, opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters, ulepszają symulacje przez uwzględnienie interakcji ciemnej materii z gazem. Stwierdzają, że słabe galaktyki mogły być znacznie jaśniejsze niż początkowo oczekiwano na wczesnym etapie historii Wszechświata, gdy dopiero zaczynały się formować. Autorzy sugerują, że naukowcy powinni poszukać małych galaktyk, które są znacznie jaśniejsze niż przewidywano, za pomocą teleskopów takich jak JWST. Jeśli znajdą tylko słabe galaktyki, niektóre z ich koncepcji dotyczących ciemnej materii mogą okazać się błędne.
Ciemna materia to rodzaj hipotetycznej materii, która nie oddziałuje z elektromagnetyzmem ani światłem, dlatego nie można jej zaobserwować za pomocą optyki, elektryczności czy magnetyzmu. Jednak ciemna materia oddziałuje z grawitacją, a jej obecność została wywnioskowana z efektów grawitacyjnych, jakie wywiera na zwykłą materię – materię, z której składa się cały obserwowalny Wszechświat. Chociaż szacuje się, że 84% materii we Wszechświecie stanowi ciemna materia, nigdy nie udało się jej wykryć bezpośrednio.
Wszystkie galaktyki są otoczone przez rozległe halo ciemnej materii, a naukowcy uważają, że ciemna materia była niezbędna do ich powstania. Standardowy model kosmologiczny, który astrofizycy wykorzystują do zrozumienia formowania się galaktyk, opisuje, w jaki sposób skupiska ciemnej materii w bardzo wczesnym Wszechświecie przyciągały zwykłą materię za pomocą grawitacji, powodując powstawanie gwiazd i tworząc galaktyki, które obserwujemy dzisiaj. Ponieważ przeważająca większość cząstek ciemnej materii – nazywanych zimną ciemną materią – porusza się znacznie wolniej niż prędkość światła, ten proces akumulacji postępował stopniowo.
Jednak ponad 13 miliardów lat temu, przed uformowaniem się pierwszych galaktyk, zwykła materia, składająca się z wodoru i helu z Wielkiego Wybuchu, oraz ciemna materia poruszały się względem siebie. Gaz poruszał się z prędkością ponaddźwiękową, mijając gęste zarośla wolniej poruszającej się ciemnej materii, która powinna była go wciągnąć, tworząc galaktyki.
Rzeczywiście, w modelach, które nie uwzględniają strumieniowania, dokładnie to się dzieje – powiedziała Claire Williams, doktorantka UCLA i pierwsza autorka artykułu. Gaz jest przyciągany przez grawitacyjne przyciąganie ciemnej materii, tworzy kępy i węzły tak gęste, że może dojść do syntezy wodoru, a tym samym tworzy gwiazdy takie jak nasze Słońce.
Jednak zespół Supersonic Project, składający się z astrofizyków z USA, Włoch i Japonii pod kierownictwem profesora fizyki i astronomii UCLA Smadara Naoza, odkrył, że dodanie do symulacji efektu strumieniowania różnych prędkości między ciemną i zwykłą materią sprawiło, że gaz wylądował daleko od ciemnej materii i nie mógł od razu tworzyć gwiazdy. Gdy miliony lat później nagromadzony gaz opadł z powrotem do galaktyki, nastąpił potężny wybuch procesów gwiazdotwórczych. Galaktyki te miały przez pewien czas znacznie więcej młodych, gorących i świecących gwiazd niż zwykłe małe galaktyki, co sprawiło, że świeciły one znacznie jaśniej.
Podczas gdy strumień hamował formowanie się gwiazd w najmniejszych galaktykach, zwiększał również formowanie się gwiazd w galaktykach karłowatych, powodując, że przyćmiewały one obszary Wszechświata nieobjęte przez strumień – wyjaśniła Williams. Przewidujemy, że teleskop James Webb będzie w stanie zlokalizować obszary Wszechświata, w których galaktyki będą jaśniejsze z powodu tego zjawiska. Ich wyjątkowa jasność może znacznie ułatwić teleskopowi odkrycie tych małych galaktyk, które zazwyczaj są niezwykle trudne do wykrycia zaledwie 375 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Ponieważ ciemna materia jest niemożliwa do bezpośredniego zbadania, poszukiwanie jasnych plam galaktyk we wczesnym Wszechświecie może stanowić skuteczny test dla teorii dotyczących ciemnej materii, które do tej pory były bezowocne.
Odkrycie małych, jasnych galaktyk we wczesnym Wszechświecie potwierdziłoby, że nasz model zimnej ciemnej materii jest poprawny, ponieważ tylko różnice prędkości między dwoma rodzajami materii mogą stworzyć typ galaktyki, którego szukamy – wyjaśnił Naoz, profesor astrofizyki Howarda i Astrid Prestonów. Jeśli ciemna materia nie zachowuje się zgodnie z modelem zimnej ciemnej materii, a efekt strumieniowy nie zostaje zaobserwowany, to te jasne galaktyki karłowate nie zostaną znalezione, co oznaczać będzie konieczność powrotu do rysowania nowych teoretycznych modeli.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Bright galaxies put dark matter to the test
- The Supersonic Project: Lighting Up the Faint End of the JWST UV Luminosity Function
Źródło: UCLA
Na ilustracji: Mozaika zdjęć Kwintetu Stephana uzyskanych Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba. Źródło: NASA
