Als het gaat om de eerste sterrenstelsels, zal de James Webb-ruimtetelescoop proberen de vorming van die sterrenstelsels en hun link met de onderliggende donkere materie te begrijpen. Dus door sterrenstelsels te bestuderen - en vooral hun vorming - kunnen we enkele hints krijgen over hoe donkere materie werkt. Dat is tenminste de hoop. Het blijkt dat astronomie een beetje ingewikkelder is dan dat, en een van de belangrijkste dingen waarmee we te maken krijgen bij het bestuderen van deze verre sterrenstelsels is stof. Veel stof.
Dat klopt: goed ouderwets stof. En dankzij een aantal mooie simulaties beginnen we het beeld op te helderen.
Laat er licht zijn
Melkwegstelsels begonnen vrij lang geleden voor het eerst te ontstaan, slechts een paar honderd miljoen jaar in de geschiedenis van ons universum. Maar tot nu toe hebben we geen directe beelden van die eerste sterrenstelsels. Ze zijn gewoon te ver weg zodat hun licht ons niet kan bereiken zonder een enorme telescoop. Bovendien, omdat ze zo ver weg zijn en het universum is uitgebreid sinds hun licht werd uitgestraald, gloeien ze niet meer in zichtbaar licht. Hun licht is naar het infraroodspectrum verschoven. Dus om deze melkwegstelsels in kaart te kunnen brengen, hebben we een grote infraroodtelescoop nodig. Betreed de James Webb.
De James Webb is geen onderzoeksinstrument; het zal geen ongelooflijk groot volume van het universum in kaart brengen. Maar het zal ons zeker enkele portretten geven van hoe het universum er meer dan 13 miljard jaar geleden uitzag, en vooral hoe die jonge sterrenstelsels waren. En de structuur en samenstelling van die sterrenstelsels hangt af van de onderliggende donkere materie. Alles, van de hoeveelheid donkere materie, waarvan het precies is gemaakt en hoe het besluit om te groeperen, heeft allemaal invloed op de vorming van sterrenstelsels. Deze (momenteel onbekende) eigenschappen van donkere materie veranderen hoeveel sterrenstelsels er zijn, hoe helder ze zijn en zelfs wat voor soort sterren ze hosten.
Dit verband tussen sterrenstelsels en donkere materie wordt echter pas echt begrepen in simulaties. Dat komt omdat we niet veel directe waarnemingen van donkere materie hebben (alsof de naam zelf geen idee geeft). Kortom, we begrijpen niet helemaal wat donkere materie is. Dus soms moeten we raden, en we plaatsen deze gissingen in een computersimulatie van de groei van het universum, en we zien hoe normale materie zoals sterren en gas en stof daarop reageren en sterrenstelsels vormen.
Laat er stof zijn
Dus door de werkelijke afbeeldingen en statistieken van sterrenstelsels die door James Webb zijn onthuld te vergelijken met onze verschillende simulaties, kunnen we hopelijk de beste match vinden en uitzoeken welk donkere-materiemodel het meest nauwkeurig is. Van daaruit kunnen we nog meer leren over het universum, zoals op jacht naar exotische zwaartekrachtmodellen of zelfs een idee krijgen van de mysterieuze aard van donkere energie (wat een geheel apart artikel is).
Dit klinkt eenvoudig, maar dat is het niet. Waarnemingen in het universum zijn erg rommelig en gecompliceerd en over het algemeen erg moeilijk, omdat ons universum veel meer omvat dan alleen sterren en sterrenstelsels en donkere materie en de James Webb-ruimtetelescoop.
Er is ook stof. Veel van dat.
Stof wordt gemaakt van koolstof- en zuurstofstrengen en meer, ronddraaiend en wervelend in sterrenstelsels, rond sterrenstelsels en tussen sterrenstelsels. Het blijkt dat de intergalactische ruimte een behoorlijk rommelige plek is. Er is gewoon stof. En stof knoeit met licht.
Als het licht van die verre sterrenstelsels miljarden en miljarden lichtjaren passeert om de James Webb te bereiken, kruist het veel stof. Dat stof zal het verstrooien, verzwakken en ook roodverschuiven. Met andere woorden, als we proberen te begrijpen hoe deze jonge sterrenstelsels eruit zien, kunnen we deze sterrenstelsels alleen zien door een wazige mist. We hebben dus geen directe beelden van het vroege universum en zullen die ook nooit krijgen.
Nogmaals, simulaties om te redden.
Een illustratief voorbeeld
Maar deze keer hebben de simulaties wat extra hulp. Ze hebben echte live data om mee te werken. Geen data uit het vroege universum (omdat we die nog niet hebben) maar data uit het nabije universum. We hebben kaarten en observaties gemaakt en hebben op belachelijke wijze de eigenschappen van stof tussen sterrenstelsels in ons lokale stukje van de kosmos bestudeerd. Deze gegevens worden vervolgens aangesloten op de simulaties van het vroege universum om te proberen zo nauwkeurig mogelijke voorspellingen te doen over wat de James Webb daadwerkelijk zal zien.
Het is alsof je monsters van de mist om je heen neemt om te proberen te begrijpen hoe een verre vuurtoren er eigenlijk uitziet.
Onlangs publiceerde een team van onderzoekers resultaten van een reeks simulaties genaamd Illustris. Zoals de naam al doet vermoeden, zijn deze simulaties ongelooflijk geavanceerd, waarbij ze niet alleen donkere materie en de vorming van sterrenstelsels omvatten, maar zelfs het licht simuleren dat door deze sterrenstelsels wordt uitgestraald terwijl het door miljarden lichtjaar stof gaat in iets als de James Webb.
Het belangrijkste doel van de simulaties was om te voorspellen wat James Webb zal zien in wat astronomen de functie van de helderheid van de melkweg noemen. Dat is gewoon een mooie manier om te zeggen hoeveel sterrenstelsels van elk helderheidsniveau te zien zullen zijn: hoeveel echt heldere, hoeveel gemiddeld heldere, hoeveel donkere, enzovoort. De functie van de helderheid van de melkweg wordt beïnvloed door de eigenschappen van donkere materie: als donkere materie bijvoorbeeld bijzonder klonterig aanvoelt, dan zal ons universum meer heldere sterrenstelsels hebben en dit zal deze helderheidfunctie verschuiven.
Maar de helderheidfunctie zelf wordt ook beïnvloed door het stof, omdat het stof al het licht dat door alle sterrenstelsels wordt uitgezonden, verandert. Deze simulaties zijn enkele van de eerste pogingen om een end-to-end-beeld te geven dat de James Webb zal koppelen (met andere woorden, wat de gegevens daadwerkelijk zullen zijn) met de onderliggende fysica van donkere materie en de vorming van sterrenstelsels.
Dit is natuurlijk slechts de eerste stap; deze simulaties bevatten veel veronderstellingen en beste schattingen op basis van huidige waarnemingen. Maar ik weet zeker dat tegen de tijd dat de James Webb daadwerkelijk vliegt, we veel meer gegevens en veel meer simulaties onder onze riem hebben.
Lees meer: "Hoge roodverschuivings-JWST-voorspellingen van IllustrisTNG: stofmodellering en helderheid van sterrenstelsels"
