Wenn es um die ersten Galaxien geht, wird das James Webb-Weltraumteleskop versuchen, die Entstehung dieser Galaxien und ihre Verbindung zur zugrunde liegenden dunklen Materie zu verstehen. Wenn wir also Galaxien - und insbesondere ihre Entstehung - untersuchen, können wir einige Hinweise darauf erhalten, wie dunkle Materie funktioniert. Zumindest ist das die Hoffnung. Es stellt sich heraus, dass die Astronomie etwas komplizierter ist, und eines der wichtigsten Dinge, mit denen wir uns bei der Untersuchung dieser fernen Galaxien befassen müssen, ist Staub. Viel Staub.
Das ist richtig: guter altmodischer Staub. Und dank einiger ausgefallener Simulationen beginnen wir, das Bild zu klären.
Es werde Licht
Galaxien begannen sich vor ziemlich langer Zeit zu bilden, nur ein paar hundert Millionen Jahre in der Geschichte unseres Universums. Bisher haben wir jedoch keine direkten Bilder dieser ersten Galaxien. Sie sind einfach zu weit weg, als dass ihr Licht uns ohne ein massives Teleskop erreichen könnte. Da sie so weit entfernt sind und sich das Universum seit der Emission ihres Lichts erweitert hat, leuchten sie nicht mehr im sichtbaren Licht. Ihr Licht wurde in das Infrarotspektrum rot verschoben. Um diese Säuglingsgalaxien überhaupt kartieren zu können, benötigen wir ein großes Infrarot-Teleskop. Betreten Sie das James Webb.
Das James Webb ist kein Erhebungsinstrument. Es wird kein unglaublich großes Volumen des Universums abbilden. Aber es wird uns definitiv einige Porträts geben, wie das Universum vor über 13 Milliarden Jahren war und insbesondere wie diese jungen Galaxien waren. Und die Struktur und Zusammensetzung dieser Galaxien hängt von der zugrunde liegenden dunklen Materie ab. Alles, von der Menge der dunklen Materie, woraus genau sie besteht und wie sie sich zu einer Gruppe zusammenschließt, wirkt sich auf die Bildung von Galaxien aus. Diese (derzeit unbekannten) Eigenschaften der Dunklen Materie verändern, wie viele Galaxien es gibt, wie hell sie sind und sogar welche Arten von Sternen sie beherbergen.
Dieser Zusammenhang zwischen Galaxien und dunkler Materie wird jedoch nur in Simulationen verstanden. Das liegt daran, dass wir nicht viele direkte Beobachtungen der Dunklen Materie haben (als ob der Name selbst Ihnen keinen Hinweis gegeben hätte). Kurz gesagt, wir verstehen nicht ganz, was dunkle Materie ist. Manchmal müssen wir also raten, und wir setzen diese Vermutungen in eine Computersimulation des Wachstums des Universums ein, und wir sehen, wie normale Materie wie Sterne, Gas und Staub darauf reagieren und Galaxien bilden.
Lass es Staub sein
Wenn wir also die tatsächlichen Bilder und Statistiken der vom James Webb aufgedeckten Galaxien mit unseren verschiedenen Simulationen vergleichen, können wir hoffentlich die beste Übereinstimmung finden und herausfinden, welches Modell der dunklen Materie das genaueste ist. Von dort aus können wir noch mehr über das Universum erfahren, beispielsweise nach exotischen Gravitationsmodellen suchen oder sogar einen Hinweis auf die mysteriöse Natur der dunklen Energie erhalten (was ein völlig separater Artikel ist).
Das klingt einfach, ist es aber nicht. Beobachtungen im Universum sind sehr chaotisch und kompliziert und im Allgemeinen sehr schwierig, da unser Universum viel mehr beinhaltet als nur Sterne und Galaxien und dunkle Materie und das James Webb-Weltraumteleskop.
Es gibt auch Staub. Viel davon.
Staub besteht aus Kohlenstoff- und Sauerstoffketten und mehr, die sich innerhalb von Galaxien, um Galaxien und zwischen Galaxien drehen und wirbeln. Es stellt sich heraus, dass der intergalaktische Raum ein ziemlich chaotischer Ort ist. Es gibt nur Staub. Und Staub verwirrt das Licht.
Während das Licht dieser fernen Galaxien Milliarden von Lichtjahren durchläuft, um das James Webb zu erreichen, schneidet es viel Staub. Dieser Staub wird es zerstreuen, schwächen und auch rot verschieben. Mit anderen Worten, wenn wir versuchen zu verstehen, wie diese jungen Galaxien aussehen, können wir diese Galaxien nur durch einen dunstigen Nebel sehen. Wir haben also keine direkten klaren Bilder des frühen Universums und werden es auch nie bekommen.
Noch einmal Simulationen zur Rettung.
Ein anschauliches Beispiel
Diesmal haben die Simulationen jedoch zusätzliche Unterstützung. Sie haben echte Live-Daten, mit denen sie arbeiten können. Keine Daten aus dem frühen Universum (weil wir das noch nicht haben), sondern Daten aus dem nahe gelegenen Universum. Wir haben Karten und Beobachtungen erstellt und in lächerlichem Maße die Eigenschaften von Staub zwischen Galaxien in unserem lokalen Bereich des Kosmos untersucht. Diese Daten werden dann in die Simulationen des frühen Universums eingebunden, um so genaue Vorhersagen wie möglich darüber zu treffen, was James Webb tatsächlich sehen wird.
Es ist, als würde man Nebelproben um sich herum nehmen, um zu verstehen, wie ein entfernter Leuchtturm tatsächlich aussieht.
Kürzlich veröffentlichte ein Forscherteam Ergebnisse aus einer Reihe von Simulationen namens Illustris. Wie der Name schon sagt, sind diese Simulationen unglaublich ausgefeilt und beinhalten nicht nur dunkle Materie und die Bildung von Galaxien, sondern auch die Simulation des von diesen Galaxien emittierten Lichts, wenn es durch Milliarden von Lichtjahren Staub in etwas wie das James Webb gelangt.
Das Hauptziel der Simulationen war es, vorherzusagen, was James Webb in dem sehen wird, was Astronomen die Galaxienleuchtkraftfunktion nennen. Das ist nur eine ausgefallene Art zu sagen, wie viele Galaxien jeder Helligkeitsstufe zu sehen sind: wie viele wirklich helle, wie viele mittelhelle, wie viele dunkle und so weiter. Die Leuchtkraftfunktion der Galaxie wird durch die Eigenschaften der Dunklen Materie beeinflusst: Wenn sich beispielsweise die Dunkle Materie besonders klumpig anfühlt, hat unser Universum hellere Galaxien und dies verschiebt diese Leuchtkraftfunktion.
Die Leuchtkraftfunktion selbst wird aber auch vom Staub beeinflusst, da der Staub das gesamte von allen Galaxien emittierte Licht verändert. Diese Simulationen sind einige der ersten Versuche, ein End-to-End-Bild zu liefern, das das, was James Webb sehen wird (mit anderen Worten, was die Daten tatsächlich sein werden), mit der zugrunde liegenden Physik der Bildung dunkler Materie und Galaxien verknüpft.
Dies ist natürlich nur der erste Schritt; Diese Simulationen beinhalten viele Annahmen und Best-Guesses, die auf aktuellen Beobachtungen basieren. Aber ich bin mir sicher, dass wir zu dem Zeitpunkt, an dem James Webb tatsächlich fliegt, viel mehr Daten und Simulationen haben werden.
Lesen Sie mehr: „JWST-Vorhersagen mit hoher Rotverschiebung von IllustrisTNG: Staubmodellierung und Funktionen der Galaxienhelligkeit“
