Webb kan direkt testa en teori om mörk materia

By | February 12, 2024

Hur är det med galaxer och mörk materia? De flesta, om inte alla, galaxer är omgivna av glorier av detta mystiska, okända men allestädes närvarande material. Och det spelade också en roll i bildandet av galaxer. Karaktären av den rollen är något astronomer fortfarande klurar på. Idag utforskar de det begynnande universum och letar efter de minsta, ljusaste galaxerna. Det beror på att de kunde hjälpa till att berätta historien om mörk materias roll i galaktisk skapelse.

Ett internationellt team av astronomer under ledning av Smadar Naoz från UCLA kör simuleringar av tidig galaxbildning. Deras datorprogram spårar omständigheterna kring galaktiska födslar strax efter Big Bang. Dessa “hot off the press” datormodeller inkluderar några nya rynkor. De tar hänsyn till tidigare ignorerade interaktioner mellan mörk materia och universums ursprungliga “grejer”. De skulle vara väte och heliumgas. Resultatet av simuleringarna: små, ljusa galaxer som bildades snabbare än i datormodeller som inte inkluderade dessa rörelser. Nu behöver astronomer bara hitta dem, med hjälp av JWST, i ett försök att se om deras teorier om mörk materia håller.

Interaktioner mellan mörk materia och överljudsbaryonisk materia

Hur skulle interaktioner mellan baryonisk materia och mörk materia göra skillnad? Här är en trolig historia: I det tidiga universum rörde sig gasmoln med överljudshastigheter genom klumpar av mörk materia. Det studsade bort den mörka materien. Slutligen, efter miljontals år, kom det gasformiga materialet samman igen för att bilda stjärnor i en explosion av stjärnfödelse. Teamets simuleringar spårar bildandet av dessa galaxer strax efter Big Bang.

En sammansatt modell av materiafördelning i universum (med mörk materia överlag) i en simulering av galaxbildning utförd av TNG Collaboration.

Naozs team tror att förekomsten av dessa mindre, ljusare och mer avlägsna galaxer kan bekräfta modellen för så kallad “kall mörk materia.” Det tyder på att universum var i ett varmt, tätt tillstånd som bara innehöll gaser efter Big Bang. Med tiden utvecklades det till en ojämn fördelning av galaxer (och så småningom galaxhopar). Stjärnor och galaxer bildades längs vägen, men de första stegen beror förmodligen på gravitationsinteraktion med mörk materia. Om de överljudsinteraktioner som Naozs team modellerade verkligen inträffade, skulle de små galaxerna vara resultatet.

Simulerar bildandet av galaxer och påverkan av mörk materia

JWST har sett några ganska tidiga galaxer under sin tid i drift. Den har inte upptäckt de tidigaste… än. Men bilderna som HA tillhandahållit är lockande ledtrådar till vad som kan existera i tidigare tider och skulle kunna ge insikt i mörk materias roll. Så det är vettigt att astronomer skulle vilja föra sin vision tillbaka i tiden så långt de kan. Och det betyder att leta efter ljusfläckar av ljus som fanns några hundra miljoner år efter Big Bang.

Konstnärens uppfattning om galaxer med stjärnbildning i det tidiga universum.  Stjärnor och galaxer visas i ljusa vita ljuspunkter, medan mer diffus mörk materia och gas visas i lila och röda.  De första gasmolnen studsade runt klumpar av mörk materia, bara för att klumpa ihop sig igen under den mörka materiens gravitation, vilket fick stjärnor att bildas.  Kredit: Aaron M. Geller/Northwest/CIERA + IT-RCDS
Konstnärens uppfattning om galaxer med stjärnbildning i det tidiga universum. Stjärnor och galaxer visas i ljusa vita ljuspunkter, medan mörk materia och gas visas i lila och röda. De första gasmolnen studsade runt klumpar av mörk materia, bara för att klumpa ihop sig igen under den mörka materiens gravitation, vilket fick stjärnor att bildas. Kredit: Aaron M. Geller/Northwest/CIERA + IT-RCDS

“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. “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.”

I en artikel av teammedlemmen och förstaförfattaren Claire Williams (publicerad i Brev från astrofysiska tidskrifter) team föreslår att forskare som använder JWST börjar leta efter galaxer som är mycket ljusare än förväntat. Om de finns, kommer det sannolikt att bevisa att interaktionerna inträffade tidigt i kosmisk tid. Om ingen kan hittas, kanske forskare fortfarande inte förstår interaktioner mellan mörk materia. Den stora frågan att besvara är, om de finns, hur bildades de så snabbt och varför är de så ljusa?

Sändning genom mörk materia korridorer

Låt oss undersöka det genom att titta på mörk materias roll. Den kosmologiska standardmodellen säger att tyngdkraften av mörk materieklumpar i det tidiga universum attraherade vanlig materia. Med tiden fick detta stjärnor att bildas, följt av galaxer. Mörk materia tros röra sig långsammare än ljus. Således förutspådde astronomer att processerna för stjärn- och galaxbildning inträffade mycket gradvis. Det är åtminstone vad tidigare simuleringar antyder.

Men tänk om något annat hände för mer än 13 miljarder år sedan? Hur skulle det förändra saker och ting? Det var en tid före bildandet av de första galaxerna. Men det var en tid då vanlig materia i form av stora överdensiteter av väte och helium cirkulerade genom det expanderande universum. Den studsade av långsammare klumpar av mörk materia och övervann sin gravitationskraft, åtminstone för ett tag. Baryonmaterian ackumulerades sedan igen, under påverkan av den mörka materian. Det var då stjärnfödelsefyrverkeriet började.

Den här bilden visar galaxen EGSY8p7, en ljus galax i det tidiga universum där ljusemission ses bland annat från exciterade väteatomer: Lyman-alfa-emission.  Forskare tittar på denna och andra unga galaxer för att förstå vilken roll mörk materia spelar i tidig kosmisk historia.
Den här bilden visar galaxen EGSY8p7, en ljus galax i det tidiga universum där ljusemission ses bland annat från exciterade väteatomer: Lyman-alfa-emission. Forskare tittar på denna och andra unga galaxer för att förstå vilken roll mörk materia spelar i tidig kosmisk historia.

“Medan den strömmade undertryckt stjärnbildning i mindre galaxer, ökade det också stjärnbildningen i dvärggalaxer, vilket fick dem att förmörka icke-strömmande områden i universum,” sa Williams. I grund och botten började den ackumulerade gasen sönderfalla efter miljontals år. Detta orsakade en enorm utbrott av stjärnbildning. Många unga, heta, massiva stjärnor började lysa och överglänste stjärnorna i andra små galaxer. I slutändan, vad detta betyder är att eftersom mörk materia är omöjlig att “se”, kan dessa ljusa galaxblobbar vara indirekta bevis på dess existens. Och de skulle visa vilken roll mörk materia spelade i skapandet av galaxer.

Hitta de där glänsande fläckarna

Ingen har sett exakt vad Naoz och teamet letar efter… än. När de väl gör det kommer det att gå långt mot att ge insikt i rollen av kall mörk materia. “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.

Naturligtvis är JWST ett perfekt teleskop för att hjälpa till att se dessa galaxer. Den borde kunna observera områden i universum där små unga galaxer är ljusare än astronomer förväntar sig. Den extrema ljusstyrkan kommer att hjälpa JWST att upptäcka dem, och visa dem hur de såg ut vid en tidpunkt då universum bara var några hundra miljoner år gammalt. Eftersom mörk materia är omöjlig att studera direkt, kan sökning efter sådana ljusa fläckar av unga galaxer i det tidiga universum erbjuda ett kraftfullt test för teorier om mörk materia och dess roll i bildandet av de första galaxerna.

För mer information

Ljusa galaxer testar mörk materia
The Supersonic Project: Belyser den svaga änden av JWST UV-ljusstyrka

Leave a Reply

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