Что такого в галактиках и темной материи? Большинство, если не все галактики, окружены ореолами этого загадочного, неизвестного, но повсеместного материала. И это также сыграло роль в формировании галактик. Природу этой роли астрономы все еще выясняют. Сегодня они исследуют зарождающуюся Вселенную в поисках самых крошечных и ярких галактик. Это потому, что они могли бы помочь рассказать историю о роли темной материи в создании галактики.
Международная группа астрономов под руководством Смадара Наоза из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе проводит моделирование раннего формирования галактик. Их компьютерные программы отслеживают обстоятельства рождения галактик вскоре после Большого взрыва. Эти «горячие» компьютерные модели имеют несколько новых морщин. Они учитывают ранее игнорируемые взаимодействия между темной материей и первичным «веществом» Вселенной. Это будет водород и гелий. Результат моделирования: крошечные яркие галактики, которые сформировались быстрее, чем в компьютерных моделях, не учитывающих эти движения. Теперь астрономам просто нужно найти их, используя JWST, чтобы проверить, верны ли их теории о темной материи.
Взаимодействие темной материи со сверхзвуковой барионной материей
Как взаимодействие между барионной материей и темной материей повлияет на ситуацию? Вот одна вероятная история: в ранней Вселенной облака газа двигались со сверхзвуковой скоростью мимо сгустков темной материи. Оно отскочило от темной материи. В конце концов, через миллионы лет газообразный материал снова собрался вместе, образовав звезды в результате вспышки звездного рождения. Моделирование команды отслеживает формирование этих галактик сразу после Большого взрыва.
Команда Наоза считает, что существование этих меньших, более ярких и далеких галактик может подтвердить так называемую модель «холодной темной материи». Это предполагает, что после Большого взрыва Вселенная находилась в горячем плотном состоянии, содержащем только газы. Со временем оно превратилось в неоднородное распределение галактик (и, в конечном итоге, в скопления галактик). По пути формировались звезды и галактики, но самые ранние шаги, вероятно, зависят от гравитационного взаимодействия с темной материей. Если бы сверхзвуковые взаимодействия, смоделированные командой Наоза, действительно имели место, то результатом были бы именно эти маленькие галактики.
Моделирование формирования галактик и влияния темной материи
За время своей работы JWST видел несколько довольно ранних галактик. Самые ранние из них он пока не обнаружил. Тем не менее, изображения, которые он предоставил, являются намеками на то, что могло существовать в более ранние эпохи, и могут дать представление о роли темной материи. Поэтому вполне логично, что астрономы хотят перенести свою точку зрения как можно дальше во времени. А это означает поиск ярких бликов света, существовавших через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
«Открытие участков маленьких ярких галактик в ранней Вселенной подтвердило бы, что мы находимся на правильном пути с моделью холодной темной материи, потому что только скорость между двумя видами материи может создать тот тип галактики, который мы ищем». — сказал Наоз. «Если темная материя не ведет себя как стандартная холодная темная материя и отсутствует эффект потоков, то эти яркие карликовые галактики не будут найдены, и нам придется вернуться к чертежной доске».
В статье члена команды и первого автора Клэр Уильямс (опубликованной в Письма в астрофизическом журнале) команда предлагает учёным, использующим JWST, начать искать галактики, которые намного ярче, чем ожидалось. Если они существуют, это, вероятно, докажет, что взаимодействия произошли в начале космического времени. Если ничего не найдено, возможно, ученые все еще не понимают взаимодействия темной материи. Главный вопрос, на который нужно ответить: если они существуют, то как они образовались так быстро и почему они такие яркие?
Поток через коридоры темной материи
Давайте рассмотрим это, взглянув на роль темной материи. Стандартная космологическая модель утверждает, что гравитационное притяжение сгустков темной материи в ранней Вселенной притягивало обычную материю. В конце концов, это привело к образованию звезд, а затем и галактик. Считается, что темная материя движется медленнее, чем свет. Итак, астрономы предсказали, что процессы формирования звезд и галактик происходили очень постепенно. По крайней мере, так предполагают более ранние симуляции.
Но что, если что-то еще происходило более 13 миллиардов лет назад? Как это изменит ситуацию? Это было время, когда еще не сформировались первые галактики. Но это было время, когда обычная материя в виде больших скоплений водорода и гелия текла через расширяющуюся Вселенную. Он отскочил от более медленно движущихся сгустков темной материи и превзошел ее гравитационное притяжение, по крайней мере на какое-то время. Затем барионная материя снова сплотилась под воздействием темной материи. Именно тогда начался фейерверк рождения звезды.
«Хотя потоки подавляли звездообразование в самых маленьких галактиках, они также ускоряли звездообразование в карликовых галактиках, заставляя их затмевать неперетекающие участки Вселенной», — сказал Уильямс. По сути, накопившийся газ начал распадаться через миллионы лет. Это привело к огромному взрыву звездообразования. Множество массивных горячих молодых звезд начали сиять, превосходя по яркости звезды в других маленьких галактиках. В конечном итоге это означает, что, поскольку темную материю невозможно «увидеть», эти ярко сияющие участки галактик могут быть косвенным свидетельством ее существования. И они докажут роль темной материи в создании галактик.
В поисках этих ярких пятен
Никто еще не видел именно то, что ищут Наоз и его команда — пока. Как только они это сделают, это будет иметь большое значение для понимания роли холодной темной материи. «Открытие участков маленьких ярких галактик в ранней Вселенной подтвердило бы, что мы находимся на правильном пути с моделью холодной темной материи, потому что только скорость между двумя видами материи может создать тот тип галактики, который мы ищем». — сказал Наоз.
Конечно, JWST — идеальный телескоп, позволяющий увидеть эти галактики. Он должен иметь возможность заглянуть в регионы Вселенной, где крошечные молодые галактики ярче, чем ожидают астрономы. Эта чрезвычайная яркость поможет JWST обнаружить их, показав их такими, какими они были в то время, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. Поскольку темную материю невозможно изучить напрямую, поиск ярких пятен молодых галактик в ранней Вселенной мог бы стать эффективной проверкой теорий о темной материи и ее роли в формировании первых галактик.
Для дополнительной информации
Яркие галактики подвергают испытанию темную материю
Сверхзвуковой проект: освещение слабого конца функции ультрафиолетовой яркости JWST
