När det gäller de första galaxerna kommer James Webb Space Telescope att försöka förstå bildandet av dessa galaxer och deras koppling till den underliggande mörka materien. Så genom att studera galaxer - och särskilt deras bildning - kan vi få några tips om hur mörk materia fungerar. Åtminstone, det är hoppet. Det visar sig att astronomin är lite mer komplicerad än så, och en av de viktigaste sakerna vi måste ta itu med när vi studerar dessa avlägsna galaxer är damm. Mycket damm.
Det stämmer: bra gammaldags damm. Och tack vare några snygga simuleringar börjar vi rensa upp bilden.
Låt det finnas ljus
Galaxerna började först bildas för ganska länge sedan, bara några hundra miljoner år i vårt universums historia. Men hittills har vi inga direkta bilder av de första galaxerna. De är helt enkelt för långt borta för att deras ljus ska nå oss utan ett massivt teleskop. Dessutom, eftersom de är så avlägsna och universum har expanderat sedan deras ljus släpptes, lyser de inte i synligt ljus längre. Deras ljus har skiftats om till det infraröda spektrumet. Så för att ha någon chans alls att kartlägga dessa spädbarnsgalaxer behöver vi ett stort infrarött teleskop. Gå in i James Webb.
James Webb är inte ett undersökningsinstrument; det kommer inte att kartlägga en otroligt stor volym av universum. Men det kommer definitivt att ge oss några porträtt av hur universum var för över 13 miljarder år sedan, och särskilt hur de unga galaxerna var. Och strukturen och sammansättningen av dessa galaxer beror på den underliggande mörka materien. Allt från mängden mörk materia, vad exakt den är gjord av och hur den beslutar att gruppera tillsammans påverkar bildandet av galaxer. Dessa (för närvarande okända) egenskaper hos mörk materia förändrar hur många galaxer det finns, hur ljusa de är och till och med vilka slags stjärnor de är värd.
Men detta samband mellan galaxer och mörk materia förstås egentligen bara i simuleringar. Det beror på att vi inte har många direkta observationer av mörk materia (som om namnet inte gav dig en ledtråd). Kort sagt, vi förstår inte helt vad mörk materia är. Så ibland måste vi gissa, och vi lägger dessa gissningar in i en datorsimulering av universumets tillväxt, och vi ser hur normal materia som stjärnor och gas och damm reagerar på det och bildar galaxer.
Let There Be Dust
Så genom att jämföra de faktiska bilderna och statistiken över galaxer som avslöjats av James Webb med våra olika simuleringar, kan vi förhoppningsvis hitta den bästa matchningen och välja vilken mörk materia som är den mest exakta. Därifrån kan vi lära oss mer om universum, som att jaga efter exotiska tyngdmodeller eller till och med få en aning om den mystiska naturen hos mörk energi (som är en helt separat artikel).
Detta låter enkelt men det är det inte. Observationer i universum är mycket röriga och komplicerade och i allmänhet mycket hårda, eftersom det finns mycket mer i vårt universum än bara stjärnor och galaxer och mörk materia och James Webb rymdteleskopet.
Det finns också damm. Mycket av det.
Damm är gjord av strängar av kol och syre och mer, virvlande och virvlande inuti galaxer, runt galaxer och mellan galaxer. Det visar sig att intergalaktiskt utrymme är en ganska rörig plats. Det finns bara damm. Och damm krånar med ljus.
När ljuset från dessa avlägsna galaxer passerar miljarder på miljarder ljusår för att nå James Webb, skär det mycket damm. Det dammet kommer att sprida det, försvaga det och också skifta det röd. Med andra ord, om vi försöker förstå hur dessa unga galaxer ser ut, kan vi bara se dessa galaxer genom en disig dimma. Så vi har inte - och kommer aldrig att få - direkta tydliga bilder av det tidiga universum.
Återigen simuleringar till undsättning.
Ett illustrativt exempel
Men den här gången har simuleringarna lite extra hjälp. De har verkliga live-data att arbeta med. Inte data från det tidiga universum (eftersom vi inte har det ännu) utan data från det närliggande universum. Vi har byggt kartor och observationer och studerat till en löjlig utsträckning dammens egenskaper mellan galaxer i vår lokala kosmos. Dessa data kopplas sedan in i simuleringarna av det tidiga universum för att försöka göra så exakta förutsägelser som möjligt om vad James Webb faktiskt kommer att se.
Det är som att ta prover av dimman runt dig för att försöka förstå hur en avlägsen fyr faktiskt ser ut.
Nyligen publicerade ett forskargrupp resultat från en serie simuleringar som heter Illustris. Som namnet antyder är dessa simuleringar otroligt sofistikerade och involverar inte bara mörk materia och bildandet av galaxer, utan till och med simulerar det ljus som släpps ut från dessa galaxer när det passerar genom miljarder ljusår av damm och till något som James Webb.
Det viktigaste målet med simuleringarna var att förutsäga vad James Webb kommer att se i vad astronomer kallar galaxens ljusfunktion. Det är bara ett fint sätt att säga hur många galaxer i varje ljusstyrka kommer att ses: hur många riktigt ljusa, hur många medelljus, hur många dimma osv. Galaxens ljusstyrkor påverkas av egenskaperna hos mörk materia: till exempel, om mörk materia känner sig särskilt klumpig, kommer vårt universum att ha mer ljusa galaxer och detta kommer att förändra denna ljusfunktion.
Men själva ljusfunktionen påverkas också av dammet, eftersom dammet förändrar allt ljus som släpps ut från alla galaxerna. Dessa simuleringar är några av de första försöken att tillhandahålla en alltifrån-till-ände-bild som länkar vad James Webb kommer att se (med andra ord, vad som faktiskt kommer att vara) till den underliggande fysiken i mörk materia och galaxbildning.
Naturligtvis är detta bara det första steget; dessa simuleringar innebär många antaganden och bästa gissningar baserade på aktuella observationer. Men jag är säker på att när James Webb faktiskt flyger kommer vi att ha mycket mer data och mycket mer simuleringar under vårt bälte.
Läs mer: “JWST-förutsägelser med hög förskjutning från IllustrisTNG: Dammmodellering och galaxljusfunktioner”
