Ljusa galaxer testar mörk materia

By | February 1, 2024

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

pålitlig källa

korrekt


En sammansättning av Stephans kvintett, en visuell gruppering av fem galaxer, konstruerad från nästan 1 000 separata bildfiler från rymdteleskopet James Webb. Astrofysiker från UCLA tror att om teorier om kall mörk materia är korrekta, borde Webb-teleskopet hitta små, ljusa galaxer i det tidiga universum. Kredit: NASA

× nära


En sammansättning av Stephans kvintett, en visuell gruppering av fem galaxer, konstruerad från nästan 1 000 separata bildfiler från rymdteleskopet James Webb. Astrofysiker från UCLA tror att om teorier om kall mörk materia är korrekta, borde Webb-teleskopet hitta små, ljusa galaxer i det tidiga universum. Kredit: NASA

Under det senaste och ett halvt året har rymdteleskopet James Webb tillhandahållit fantastiska bilder av avlägsna galaxer som bildades kort efter Big Bang, vilket ger forskarna sina första glimtar av det begynnande universum. Nu har en grupp astrofysiker ökat: Hitta de minsta, ljusaste galaxerna nära tidens början, annars måste forskare helt ompröva sina teorier om mörk materia.

Teamet, ledd av astrofysiker vid UCLA, körde simuleringar som spårar bildandet av små galaxer efter Big Bang och inkluderade, för första gången, tidigare ignorerade interaktioner mellan gas och mörk materia. De fann att galaxerna som skapas är mycket små, mycket ljusare och bildas snabbare än i typiska simuleringar som inte tar hänsyn till dessa interaktioner, utan istället avslöjar mycket svagare galaxer.

Små galaxer, även kallade dvärggalaxer, finns i hela universum och anses ofta representera den äldsta typen av galaxer. Därför är små galaxer särskilt intressanta för forskare som studerar universums ursprung. Men de små galaxerna de hittar stämmer inte alltid överens med vad de tror att de borde hitta. De som är närmare Vintergatan roterar snabbare eller är inte lika täta som i simuleringarna, vilket indikerar att modellerna kunde ha missat något, till exempel dessa gas-mörk materia-interaktioner.

Den nya forskningen, publicerad i Breven från den astrofysiska dagboken, förbättrar simuleringarna genom att lägga till interaktioner mellan mörk materia och gas och finner att dessa svaga galaxer kan ha varit mycket ljusare än väntat tidigt i universums historia, när de precis började bildas. Författarna föreslår att forskare bör försöka hitta små galaxer som är mycket ljusare än förväntat med hjälp av teleskop som Webb-teleskopet. Om de bara hittar de svagaste, kan vissa av deras idéer om mörk materia vara felaktiga.

Mörk materia är en typ av hypotetisk materia som inte interagerar med elektromagnetism eller ljus. Därför är det omöjligt att observera med hjälp av optik, elektricitet eller magnetism. Men mörk materia interagerar med gravitationen, och dess närvaro har härletts från gravitationseffekterna den har på vanlig materia, den materia som utgör hela det observerbara universum. Även om 84 % av materien i universum tros vara sammansatt av mörk materia, har den aldrig direkt upptäckts.

Alla galaxer är omgivna av en stor gloria av mörk materia och forskare tror att mörk materia var avgörande för deras bildning. Den “kosmologiska standardmodellen” som astrofysiker använder för att förstå galaxbildningen beskriver hur klumpar av mörk materia i det tidiga universum attraherade vanlig materia genom gravitationen, vilket fick stjärnor att bildas och skapa de galaxer vi ser idag. Eftersom de flesta mörk materia partiklar (kallade kall mörk materia) tros röra sig mycket långsammare än ljusets hastighet, skulle denna ansamlingsprocess ha skett gradvis.

Men för mer än 13 miljarder år sedan, innan de första galaxerna bildades, rörde sig vanlig materia, bestående av gasformigt väte och helium från Big Bang, och mörk materia med varandra. Gasen strömmade med överljudshastigheter genom täta snår av långsammare rörlig mörk materia som borde ha lockat den till att bilda galaxer.

“Faktum är att det är precis vad som händer i modeller som inte tar hänsyn till överföring”, säger Claire Williams, doktorand vid UCLA och första författare till tidningen. “Gasen attraheras av gravitationsattraktionen av mörk materia, den bildar klumpar och knutar så täta att vätefusion kan ske och bildar därför stjärnor som vår sol.”

Men Williams och medförfattare på Project Supersonic-teamet, en grupp astrofysiker från USA, Italien och Japan ledda av UCLA fysik- och astronomiprofessor Smadar Naoz, fann att om de lade till flödeseffekten av olika hastigheter mellan det mörka och det vanliga materia a Enligt simuleringarna landade gasen långt från den mörka materien och förhindrades från att bilda stjärnor omedelbart.

När den ackumulerade gasen föll tillbaka in i galaxen miljoner år senare inträffade plötsligt en massiv utbrott av stjärnbildning. Eftersom dessa galaxer hade många fler unga, heta, lysande stjärnor än vanliga små galaxer under en tid, lyste de mycket starkare.

“Medan den nuvarande undertryckte stjärnbildningen i mindre galaxer, ökade den också stjärnbildningen i dvärggalaxer, vilket fick dem att förmörka områden i universum utan strömmar,” sa Williams.

“Vi förutspår att Webb-teleskopet kommer att kunna hitta områden i universum där galaxer kommer att vara ljusare, förstorade av denna hastighet. Det faktum att de är så ljusa kan göra det lättare för teleskopet att upptäcka dessa små galaxer, som vanligtvis är extremt svår upptäckt endast 375 miljoner år efter Big Bang.

Eftersom mörk materia är omöjlig att studera direkt, kan sökandet efter ljusa fläckar av galaxer i det tidiga universum erbjuda ett kraftfullt test för teorier om mörk materia, som hittills har misslyckats.

“Upptäckten av fläckar av små, ljusa galaxer i det tidiga universum skulle bekräfta att vi är på rätt väg med modellen med kall mörk materia eftersom endast hastigheten mellan två typer av materia kan producera den typ av galax vi letar efter.” Sa Naoz., Howard och Astrid Preston professor i astrofysik. “Om mörk materia inte beter sig som vanlig kall mörk materia och transmissionseffekten inte är närvarande, kommer dessa ljusa dvärggalaxer inte att hittas och vi måste gå tillbaka till ritbordet.”

Mer information:
Claire E. Williams et al, The Supersonic Project: Illuminating the Weak End of the JWST UV Luminosity Function, Breven från den astrofysiska dagboken (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad1491

Leave a Reply

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