Rymdteleskopet James Webb kan rikta in sig på små ljusa galaxer för att kasta ljus på mörk materia

När rymdteleskopet James Webb (JWST) studerar små och ljusa galaxer i det tidiga universum, kan det potentiellt kasta ljus över mörk materia – det mest mystiska i universum.

Detta är slutsatsen av forskare vid University of California som genomförde en simulering av kosmos som spårar bildandet av små galaxer – med början strax efter Big Bang. Detta verkar ha ökat insatserna för JWST.

Små galaxer, även kallade dvärggalaxer, är utspridda över hela kosmos, och forskare har föreslagit att de kan representera några av de tidigaste galaxerna som bildats. Detta betyder att dvärggalaxer ofta har ansetts vara nyckeln till att förstå universums bildande och utveckling.

Problemet är dock att dessa galaxer inte alltid lever upp till astronomernas förväntningar. Till exempel snurrar vissa snabbare än förväntat och andra är mindre täta än simuleringar antyder. Det är här mörk materia kommer in i bilden.

Forskare tror att dessa förbryllande motsägelser kan existera eftersom forskare inte tog hänsyn till kombinationen av gas och mörk materia i sina simuleringar.

Relaterad: James Webb rymdteleskop observerar 19 komplexa galaxstrukturer i fantastiska detaljer (bilder)

Teamets nya simulering tog därför hänsyn till dessa interaktioner mellan mörk materia och gas och fann att tidiga galaxer bildas mindre och mycket ljusare än de i simuleringar som försummar interaktionen. Forskarna såg också att galaxerna växte snabbare än andra lag.

Därför anser UCLA-teamet att astronomer som använder JWST och andra teleskop bör börja leta efter små, tidiga galaxer som är mycket ljusare än förväntat. Om dessa galaxer inte dyker upp kan det faktiskt vara något fel med våra teorier om mörk materia.

I mörkret om mörk materia

Mörk materia orsakar så mycket huvudvärk för forskare eftersom den inte interagerar med ljus och därför är praktiskt taget osynlig för oss.

Materien som utgör stjärnor, gas, planeter, våra kroppar, din grannes katt och i stort sett allt du ser omkring dig består av atomer som består av elektroner, protoner och neutroner. Dessa kallas “baryoner” och interagerar med ljus. Så forskare insåg att mörk materia måste vara gjord av något annat – något “icke-baryoniskt”.

Allt detta betyder att, trots att mörk materia utgör cirka 85% av massan i universum, kan forskare inte upptäcka den direkt och har ingen klar uppfattning om vad den är gjord av.

En konstnärs intryck av den mörka materiens halo (blå) som tros omge Vintergatan.

En konstnärs intryck av den mörka materiens halo (blå) som tros omge Vintergatan.

En konstnärs intryck av den mörka materiens halo (blå) som tros omge Vintergatan. (Bildkredit: ESO/L. Calçada)

Eftersom mörk materia har massa interagerar den med gravitationen. Detta innebär att dess närvaro kan härledas genom dessa gravitationseffekter Effekter baryonisk materia och faktiskt lätt.

Faktum är att hela konceptet med mörk materia ursprungligen postulerades eftersom galaxer roterar så snabbt att gravitationspåverkan från deras baryoniska materia ensam inte kunde hindra dem från att flyga isär. Forskare tror att det är påverkan av osynlig mörk materia som “limmar” galaxer genom gravitationen.

Forskare tror också att de flesta galaxer är omgivna av stora glorier av mörk materia som vida överstiger deras synliga stjärn-, gas- och dammhalt. De tror också att dessa glorier kan ha varit en integrerad del av bildandet och utvecklingen av galaxer.

I den för närvarande föredragna modellen för universell evolution, “Standard Cosmological Model”, lyckades gravitationsinflytandet från klumpar av mörk materia som fanns i universum för 13 miljarder år sedan attrahera baryonisk materia från den materien
vanliga gamla atomer.

När denna “vanliga materia” blev tillräckligt massiv kollapsade den och producerade de första stjärnorna. Tillsammans med mörk materia drog dessa första stjärnor till sig mer baryonisk materia och skapade galaxerna runt dem.

Standardmodellen innehåller en form av mörk materia som kallas “kall mörk materia”, som får sitt namn inte för att den är kall, utan för att den rör sig långsammare än ljusets hastighet (värme är ett mått på hur snabbt partiklar rör sig). Ansamlingen av stjärnor och galaxer i den vanliga kosmologiska modellen skulle också gå långsamt om de förlitade sig på kall mörk materia.

Baryonisk materia, i form av väte och heliumgas från Big Bang, skulle ha strömmat förbi dessa långsamt rörliga klumpar av mörk materia i överljudshastigheter i detta tidiga skede av universums historia. Det vill säga tills materia slutligen trasslade in sig och sedan samlades till galaxer.

“Det är faktiskt precis vad som händer i modeller som inte tar hänsyn till streaming”, säger Claire Williams, en teammedlem och doktorand vid UCLA, i ett uttalande. “Gas attraheras av gravitationskraften från mörk materia och bildar klumpar och knutar som är tillräckligt täta för att vätefusion ska ske och bildar stjärnor som vår sol.”

Williams och kollegor fann att gas hamnade långt ifrån mörk materia och växande galaxer när denna så kallade strömningseffekt mellan mörk och vanlig materia togs i beaktande i deras simulering, en del av det passande namnet “Supersonic Project”. Detta förhindrade omedelbar stjärnbildning.

Miljontals år senare föll gasen så småningom tillbaka in i galaxerna, vilket utlöste en intensiv våg av stjärnbildning som kallas en “starburst”, vilket skapade galaxer som hade många fler unga, heta stjärnor än vanliga små galaxer. Ett tag borde dessa starburst-galaxer ha lyst mycket starkare än andra galaxer.

“Medan flödet undertryckte stjärnbildningen i de minsta galaxerna, accelererade den också stjärnbildningen i dvärggalaxer, vilket fick dem att överglänsa de icke-flödande regionerna i universum,” förklarade Williams. “Vi förutspår att JWST-teleskopet kommer att kunna hitta områden i universum där galaxer är ljusare, förstärkta av denna hastighet.”

“Det faktum att de skulle vara så ljusa kan göra det lättare för teleskopet att upptäcka dessa små galaxer, som normalt är extremt svåra att upptäcka bara 375 miljoner år efter Big Bang.”

Det faktum att mörk materia är praktiskt taget osynlig betyder att dessa små, ljusa galaxer i det tidiga universum skulle ge en bra indikator för att testa konceptet med kall mörk materia. Om de misslyckas med att upptäcka dem, kan forskare behöva vända sig till andra teorier.

Liknande inlägg:

— James Webb rymdteleskop fångar en fantastisk titt på expanderande supernovarester (Foton)

– ”Konstig” kosmisk dragkamp i Tarantelnebulosan producerar nya stjärnor

– Tidiga galaxer formades som surfbrädor och poolnudlar, finner rymdteleskopet James Webb

“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. Smadar Naoz, Supersonic-teamledare och UCLA-professor i fysik och astronomi, sa i uttalandet. “Om mörk materia inte beter sig som vanlig kall mörk materia och strömningseffekten inte är närvarande, kommer dessa ljusa dvärggalaxer inte att hittas och vi måste gå tillbaka till ritbordet.”

Teamets forskning publiceras i The Astrophysical Journal Letters.

Leave a Reply

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