กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์จะเห็นอะไร? ฝุ่นเต็มพวงนั่นคือสิ่งที่

เมื่อพูดถึงกาแลคซีแห่งแรกกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์จะพยายามเข้าใจการก่อตัวของกาแลคซีเหล่านั้นและการเชื่อมโยงไปยังสสารมืดพื้นฐาน ดังนั้นโดยการศึกษากาแลคซี - และโดยเฉพาะอย่างยิ่งการก่อตัวของมัน - เราสามารถได้คำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการทำงานของสสารมืด อย่างน้อยนั่นคือความหวัง ปรากฎว่าดาราศาสตร์มีความซับซ้อนมากกว่านั้นเล็กน้อยและหนึ่งในสิ่งสำคัญที่เราต้องจัดการเมื่อศึกษากาแลคซีไกลโพ้นเหล่านี้คือฝุ่น ฝุ่นเยอะมาก

ถูกต้องแล้ว: ฝุ่นแบบเก่าดี และด้วยการจำลองสถานการณ์ที่แปลกใหม่เราจึงเริ่มทำให้ภาพชัดเจนขึ้น

ให้มีแสงสว่าง

กาแล็กซี่เริ่มก่อตัวขึ้นเมื่อนานมาแล้วเพียงไม่กี่ร้อยล้านปีในประวัติศาสตร์ของจักรวาลของเรา แต่จนถึงตอนนี้เรายังไม่มีภาพโดยตรงของกาแลคซีแห่งแรก พวกมันอยู่ไกลเกินไปที่แสงจะมาถึงเราโดยไม่มีกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ ยิ่งไปกว่านั้นเพราะพวกมันอยู่ห่างไกลและเอกภพขยายตัวตั้งแต่แสงถูกปล่อยออกมาพวกเขาจึงไม่เรืองแสงในที่มองเห็นอีกต่อไป แสงของพวกมันถูกเปลี่ยนให้เป็นสเปกตรัมอินฟราเรด เพื่อที่จะมีโอกาสในการทำแผนที่กาแลคซีทารกเหล่านี้เราจำเป็นต้องมีกล้องโทรทรรศน์อินฟราเรดขนาดใหญ่ เข้าสู่ James Webb

James Webb ไม่ใช่เครื่องมือสำรวจ มันไม่ได้ทำแผนที่ปริมาณจักรวาลขนาดใหญ่อย่างไม่น่าเชื่อ แต่มันจะให้ภาพบางอย่างแก่เราอย่างแน่นอนเกี่ยวกับสิ่งที่เอกภพเป็นเหมือนเมื่อ 13 พันล้านปีก่อนและโดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งที่กาแลคซีวัยเยาว์เหล่านั้นเป็นเช่นนั้น และโครงสร้างและองค์ประกอบของกาแลคซีเหล่านั้นขึ้นอยู่กับสสารมืดพื้นฐาน ทุกอย่างจากปริมาณสสารมืดสิ่งที่มันทำมาอย่างแม่นยำและการตัดสินใจรวมกลุ่มกันทั้งหมดส่งผลกระทบต่อการก่อตัวของกาแลคซี คุณสมบัติของสสารมืดเหล่านี้ (ปัจจุบันไม่ทราบ) เหล่านี้มีการเปลี่ยนแปลงว่ามีกาแลคซีจำนวนมากแค่ไหนมันสว่างแค่ไหนและยังเป็นดาวประเภทใด

อย่างไรก็ตามการเชื่อมโยงระหว่างกาแลคซีและสสารมืดนี้เป็นที่เข้าใจกันในแบบจำลองเท่านั้น นั่นเป็นเพราะเราไม่ได้สังเกตสสารมืดโดยตรง (ราวกับว่าชื่อนั้นไม่ได้ให้เบาะแสกับคุณ) กล่าวโดยสรุปเราไม่เข้าใจอย่างชัดเจนว่าสสารมืดคืออะไร ดังนั้นบางครั้งเราต้องคาดเดาและเราใส่การคาดเดาเหล่านี้ไว้ในแบบจำลองคอมพิวเตอร์เกี่ยวกับการเติบโตของเอกภพและเราเห็นว่าเรื่องปกติเช่นดาวและก๊าซและฝุ่นมีปฏิกิริยาอย่างไรต่อรูปแบบของกาแลคซี

ให้มีฝุ่น

ดังนั้นโดยการเปรียบเทียบภาพจริงและสถิติของกาแลคซีที่เปิดเผยโดย James Webb กับแบบจำลองต่างๆของเราเราหวังว่าจะได้พบคู่ที่ดีที่สุดและเลือกว่าสสารมืดชนิดใดที่มีความแม่นยำมากที่สุด จากที่นั่นเราสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเอกภพเช่นการล่าสัตว์เพื่อหาแรงโน้มถ่วงรุ่นแปลกใหม่หรือแม้แต่การได้รับเบาะแสเกี่ยวกับธรรมชาติที่ลึกลับของพลังงานมืด (ซึ่งเป็นบทความแยกต่างหาก)

ฟังดูตรงไปตรงมา แต่มันไม่ใช่ การสังเกตการณ์ในเอกภพนั้นยุ่งเหยิงและซับซ้อนมากและโดยทั่วไปก็ยากมากเพราะมันมีอะไรมากมายสำหรับเอกภพของเรามากกว่าแค่แค่ดาวและกาแลกซี่และสสารมืดและกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์

ฝุ่นประกอบด้วยสายคาร์บอนและออกซิเจนและอีกมากมายหมุนวนและหมุนวนภายในกาแล็กซีรอบกาแลคซีและระหว่างกาแลคซี ปรากฎว่าอวกาศเป็นสถานที่ที่ค่อนข้างยุ่ง มีแค่ฝุ่น และฝุ่นก็เลอะเทอะด้วยแสง

เมื่อแสงจากกาแลคซีไกลโพ้นเหล่านี้ผ่านพันล้านล้านปีแสงเพื่อไปยังเจมส์เวบบ์มันก็แยกฝุ่นจำนวนมาก ฝุ่นนั้นจะกระจายมันทำให้มันอ่อนลงและเปลี่ยนมันเป็นสีแดง กล่าวอีกนัยหนึ่งถ้าเราพยายามที่จะเข้าใจว่ากาแลคซีวัยเยาว์เหล่านี้เป็นอย่างไรเราสามารถเห็นกาแลคซีเหล่านี้ผ่านหมอกหมอกเท่านั้น ดังนั้นเราจึงไม่มีและจะไม่ได้รับ - ส่งภาพที่ชัดเจนของเอกภพยุคแรก

อีกครั้งจำลองเพื่อช่วยเหลือ

ตัวอย่างที่เป็นตัวอย่าง

แต่เวลานี้การจำลองมีความช่วยเหลือเพิ่มเติม พวกเขามีข้อมูลสดจริงเพื่อทำงานกับ ไม่ใช่ข้อมูลจากเอกภพยุคแรก (เพราะเรายังไม่มี) แต่ข้อมูลจากจักรวาลใกล้เคียง เราได้สร้างแผนที่และการสังเกตการณ์และศึกษาในระดับที่ไร้สาระเกี่ยวกับคุณสมบัติของฝุ่นละอองในระหว่างกาแลคซีในพื้นที่ใกล้เคียงของจักรวาล จากนั้นข้อมูลเหล่านี้จะถูกเสียบเข้ากับการจำลองของเอกภพยุคแรกเพื่อพยายามทำนายอย่างแม่นยำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในสิ่งที่เจมส์เวบบ์จะเห็น

มันเหมือนกับการเก็บตัวอย่างหมอกที่อยู่รอบตัวคุณเพื่อพยายามทำความเข้าใจว่าประภาคารที่อยู่ไกลออกไปเป็นอย่างไร

เมื่อเร็ว ๆ นี้ทีมนักวิจัยตีพิมพ์ผลการทดลองโดยใช้ชุดการจำลองที่เรียกว่า Illustris ดังที่ชื่อบ่งบอกว่าการจำลองเหล่านี้มีความซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อไม่เพียง แต่สสารมืดและการก่อตัวของกาแลคซี แต่ยังจำลองแสงที่เปล่งออกมาจากกาแลคซีเหล่านี้เมื่อมันผ่านฝุ่นหลายพันล้านปีแสง

เป้าหมายหลักของการจำลองคือการทำนายว่าเจมส์เวบบ์จะเห็นสิ่งที่นักดาราศาสตร์เรียกว่าฟังก์ชันกาแล็กซี่ส่องสว่าง นี่เป็นเพียงวิธีแฟนซีในการบอกว่ามีกาแลคซีจำนวนเท่าใดในแต่ละระดับของความสว่างที่เห็น: มีกี่สว่างมากขนาดกลางสว่างกี่มืดสลัวและอื่น ๆ ฟังก์ชั่นการส่องสว่างของกาแล็กซี่ได้รับอิทธิพลจากคุณสมบัติของสสารมืด: ตัวอย่างเช่นหากสสารมืดรู้สึกเป็นก้อนโดยเฉพาะอย่างยิ่งจักรวาลของเราจะมีกาแลคซีที่สว่างกว่าและสิ่งนี้จะเปลี่ยนฟังก์ชันการส่องสว่างนี้

แต่ฟังก์ชั่นการส่องสว่างนั้นเองก็ยังได้รับอิทธิพลจากฝุ่นละอองด้วยเช่นกันเพราะฝุ่นจะเปลี่ยนแสงทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากกาแลคซีทั้งหมด การจำลองเหล่านี้เป็นความพยายามครั้งแรกที่จะให้ภาพแบบ end-to-end ที่เชื่อมโยงสิ่งที่ James Webb จะเห็น (ในคำอื่น ๆ สิ่งที่ข้อมูลจะเป็นจริง) กับฟิสิกส์พื้นฐานของสสารมืดและกาแลคซี

แน่นอนว่านี่เป็นเพียงก้าวแรกเท่านั้น การจำลองเหล่านี้เกี่ยวข้องกับสมมติฐานจำนวนมากและการคาดเดาที่ดีที่สุดจากการสังเกตการณ์ในปัจจุบัน แต่ฉันมั่นใจในเวลาที่ James Webb บินได้จริงเราจะมีข้อมูลมากขึ้นและจำลองสถานการณ์ได้มากขึ้น

อ่านเพิ่มเติม:“ การคาดคะเน JWST ของ redshift สูงจาก IllustrisTNG: การสร้างแบบจำลองฝุ่นและฟังก์ชันความส่องสว่างของกาแลคซี”