عندما يتعلق الأمر بالمجرات الأولى ، سيحاول تلسكوب جيمس ويب الفضائي فهم تكوين تلك المجرات وارتباطها بالمادة المظلمة الأساسية. لذلك من خلال دراسة المجرات - وخاصة تكوينها - يمكننا الحصول على بعض التلميحات حول كيفية عمل المادة المظلمة. على الأقل ، هذا هو الأمل. اتضح أن علم الفلك أكثر تعقيدًا قليلاً من ذلك ، وأحد الأشياء الرئيسية التي يجب أن نتعامل معها عند دراسة هذه المجرات البعيدة هو الغبار. الكثير من الغبار.
هذا صحيح: غبار جيد من الطراز القديم. وبفضل بعض المحاكاة الرائعة ، بدأنا في توضيح الصورة.
دع النور يعبر إلى هناك
بدأت المجرات بالتشكيل لأول مرة منذ وقت طويل جدًا ، بعد بضع مئات الملايين من السنين من تاريخ كوننا. لكن حتى الآن ليس لدينا صور مباشرة لتلك المجرات الأولى. إنهم ببساطة بعيدون جدًا عن أن يصل ضوءهم إلينا بدون تلسكوب ضخم. ما هو أكثر من ذلك ، لأنهم بعيدون جدًا وتوسع الكون منذ انبعاث الضوء ، لم يعد يتوهج في الضوء المرئي بعد الآن. تم تحويل الضوء الخاص بهم إلى اللون الأحمر إلى طيف الأشعة تحت الحمراء. لذا ، لكي نحصل على أي فرصة على الإطلاق في رسم خرائط لهذه المجرات الصغيرة ، نحتاج إلى تلسكوب كبير بالأشعة تحت الحمراء. أدخل جيمس ويب.
إن جيمس ويب ليس أداة مسح ؛ لن يرسم حجمًا كبيرًا جدًا من الكون. لكنها ستعطينا بالتأكيد بعض الصور لما كان عليه الكون منذ أكثر من 13 مليار سنة ، وخاصة كيف كانت تلك المجرات الصغيرة. ويعتمد هيكل تلك المجرات وتركيبها على المادة المظلمة الأساسية. يؤثر كل شيء من كمية المادة المظلمة ، وما تتكون منها بالضبط ، وكيف تقرر تجميعها معًا على تكوين المجرات. تغير خصائص المادة المظلمة (غير المعروفة حاليًا) عدد المجرات الموجودة ، ومدى سطوعها ، وحتى أنواع النجوم التي تستضيفها.
ومع ذلك ، لا يتم فهم هذا الارتباط بين المجرات والمادة المظلمة إلا في المحاكاة. وذلك لأنه ليس لدينا الكثير من الملاحظات المباشرة للمادة المظلمة (كما لو أن الاسم نفسه لم يمنحك فكرة). باختصار ، نحن لا نفهم تمامًا ماهية المادة المظلمة. لذا علينا أحيانًا أن نخمن ، ونضع هذه التخمينات داخل محاكاة الكمبيوتر لنمو الكون ، ونرى كيف تتفاعل المواد الطبيعية مثل النجوم والغاز والغبار مع ذلك وتشكل المجرات.
يجب ألا يكون هناك غبار
لذا بمقارنة الصور والإحصائيات الفعلية للمجرات التي كشف عنها جيمس ويب بمحاكاة متنوعة ، نأمل أن نجد أفضل تطابق ونختار أي نموذج من المادة المظلمة هو الأكثر دقة. من هناك يمكننا معرفة المزيد عن الكون ، مثل البحث عن نماذج غريبة من الجاذبية أو حتى الحصول على فكرة عن الطبيعة الغامضة للطاقة المظلمة (وهي مقالة منفصلة تمامًا).
يبدو هذا واضحًا ولكنه ليس كذلك. الملاحظات في الكون فوضوية ومعقدة للغاية وصعبة للغاية بشكل عام ، لأن هناك الكثير لكوننا أكثر من مجرد النجوم والمجرات والمادة المظلمة وتلسكوب جيمس ويب الفضائي.
هناك أيضًا غبار. الكثير منه.
يتكون الغبار من أوتار من الكربون والأكسجين وغير ذلك ، يدور ويدور داخل المجرات ، وحول المجرات ، وبين المجرات. اتضح أن الفضاء بين المجرات مكان فوضوي للغاية. هناك فقط غبار. ويعبث الغبار بالضوء.
بينما يمر الضوء من تلك المجرات البعيدة عبر مليارات المليارات من السنوات الضوئية للوصول إلى جيمس ويب ، فإنه يتقاطع مع الكثير من الغبار. هذا الغبار سوف ينثره ويضعفه ويحوله إلى الأحمر. بعبارة أخرى ، إذا كنا نحاول أن نفهم كيف تبدو هذه المجرات الصغيرة ، فلا يمكننا رؤية هذه المجرات إلا من خلال ضباب ضبابي. لذلك ليس لدينا - ولن نحصل على الإطلاق - صور واضحة ومباشرة للكون المبكر.
مرة أخرى ، محاكاة للإنقاذ.
مثال توضيحي
ولكن هذه المرة ، فإن المحاكاة لديها بعض المساعدة الإضافية. لديهم بيانات حية حقيقية للعمل معها. ليست بيانات من الكون المبكر (لأنه ليس لدينا ذلك بعد) ولكن بيانات من الكون القريب. لقد بنينا خرائط وملاحظات ودرسنا إلى حد مثير للسخرية خصائص الغبار بين المجرات في رقعتنا المحلية للكون. ثم يتم توصيل هذه البيانات بمحاكاة الكون المبكر لمحاولة إجراء تنبؤات دقيقة قدر الإمكان لما سيراه جيمس ويب بالفعل.
يشبه أخذ عينات من الضباب حولك لمحاولة فهم شكل المنارة البعيدة.
نشر فريق من الباحثين مؤخرًا نتائج مجموعة من المحاكاة تسمى Illustris. كما يوحي الاسم ، فإن هذه المحاكاة معقدة بشكل لا يصدق ، حيث لا يقتصر الأمر على المادة المظلمة وتكوين المجرات فحسب ، بل حتى محاكاة الضوء المنبعث من هذه المجرات أثناء مرورها عبر مليارات السنين الضوئية من الغبار إلى شيء مثل جيمس ويب.
كان الهدف الرئيسي من المحاكاة هو التنبؤ بما سيراه جيمس ويب في ما يسميه الفلكيون وظيفة لمعان المجرة. هذه مجرد طريقة رائعة لقول عدد المجرات في كل مستوى من مستويات السطوع التي سيتم رؤيتها: كم عدد المجرات الساطعة حقًا ، وعدد المجرات المتوسطة الساطعة ، وعدد المجرات الخافتة ، وما إلى ذلك. تتأثر وظيفة لمعان المجرة بخصائص المادة المظلمة: على سبيل المثال ، إذا كانت المادة المظلمة تشعر بالتكتل بشكل خاص ، فسيكون لكوننا مجرات أكثر سطوعًا وهذا سيغير وظيفة السطوع هذه.
لكن وظيفة اللمعان نفسها تتأثر أيضًا بالغبار ، لأن الغبار يغير كل الضوء المنبعث من جميع المجرات. هذه المحاكاة هي بعض المحاولات الأولى لتقديم صورة شاملة تربط ما سيراه جيمس ويب (بمعنى آخر ، ما ستكون البيانات بالفعل) بالفيزياء الأساسية للمادة المظلمة وتكوين المجرات.
بالطبع هذه ليست سوى الخطوة الأولى. تتضمن هذه المحاكاة الكثير من الافتراضات وأفضل التخمينات بناءً على الملاحظات الحالية. لكني متأكد أنه بحلول الوقت الذي يطير فيه جيمس ويب بالفعل سيكون لدينا المزيد من البيانات والمزيد من المحاكاة تحت سيطرتنا.
اقرأ المزيد: "تنبؤات JWST عالية الانزياح الأحمر من IllustrisTNG: نمذجة الغبار ووظائف إضاءة المجرة"
