Khi nói đến các thiên hà đầu tiên, Kính thiên văn vũ trụ James Webb sẽ cố gắng tìm hiểu sự hình thành của các thiên hà đó và mối liên hệ của chúng với vật chất tối tiềm ẩn. Vì vậy, bằng cách nghiên cứu các thiên hà - và đặc biệt là sự hình thành của chúng - chúng ta có thể nhận được một số gợi ý về cách thức vật chất tối hoạt động. Ít nhất, đó là niềm hy vọng. Hóa ra thiên văn học phức tạp hơn thế một chút và một trong những điều quan trọng mà chúng ta phải đối phó khi nghiên cứu các thiên hà xa xôi này là bụi. Rất nhiều bụi.
Đó đúng là: bụi cổ điển. Và nhờ một số mô phỏng lạ mắt, chúng tôi bắt đầu làm sáng tỏ bức tranh.
Để có được ánh sáng
Các thiên hà lần đầu tiên bắt đầu hình thành từ khá lâu trước đây, chỉ vài trăm triệu năm trong lịch sử vũ trụ của chúng ta. Nhưng cho đến nay chúng ta không có hình ảnh trực tiếp về những thiên hà đầu tiên đó. Họ chỉ đơn giản là quá xa để ánh sáng của họ đến được với chúng ta mà không cần một kính viễn vọng khổng lồ. Còn gì nữa, bởi vì chúng ở rất xa và vũ trụ đã giãn nở kể từ khi ánh sáng của chúng được phát ra, chúng không còn phát sáng trong ánh sáng khả kiến nữa. Ánh sáng của chúng đã được chuyển sang phổ hồng ngoại. Vì vậy, để có bất kỳ cơ hội nào trong việc lập bản đồ các thiên hà trẻ sơ sinh này, chúng ta cần một kính viễn vọng hồng ngoại lớn. Nhập trang web James.
James Webb không phải là một công cụ khảo sát; nó đã giành được bản đồ một khối lượng cực lớn của vũ trụ. Nhưng nó chắc chắn sẽ cho chúng ta một số chân dung về vũ trụ giống như hơn 13 tỷ năm trước, và đặc biệt là những thiên hà trẻ đó là như thế nào. Và cấu trúc và thành phần của các thiên hà đó phụ thuộc vào vật chất tối bên dưới. Tất cả mọi thứ từ lượng vật chất tối, chính xác nó tạo ra từ cái gì và cách nó quyết định nhóm lại với nhau đều ảnh hưởng đến sự hình thành của các thiên hà. Những tính chất (hiện tại chưa biết) của vật chất tối làm thay đổi có bao nhiêu thiên hà, độ sáng của chúng và thậm chí chúng thuộc loại sao nào.
Tuy nhiên, mối liên hệ này giữa các thiên hà và vật chất tối thực sự chỉ được hiểu trong các mô phỏng. Điều đó bởi vì chúng tôi không có nhiều quan sát trực tiếp về vật chất tối (như thể chính cái tên didn đã cho bạn một manh mối). Nói tóm lại, chúng tôi không hoàn toàn hiểu được vật chất tối là gì. Vì vậy, đôi khi chúng ta phải đoán, và chúng ta đặt những dự đoán này vào bên trong một mô phỏng máy tính về sự phát triển của vũ trụ và chúng ta thấy vật chất bình thường như sao và khí và bụi phản ứng với điều đó và hình thành các thiên hà.
Hãy để bụi
Vì vậy, bằng cách so sánh các hình ảnh và thống kê thực tế của các thiên hà được James Webb tiết lộ với các mô phỏng khác nhau của chúng tôi, chúng tôi hy vọng có thể tìm thấy kết quả phù hợp nhất và chọn ra mô hình vật chất tối nào là chính xác nhất. Từ đó chúng ta có thể tìm hiểu nhiều hơn về vũ trụ, như săn lùng các mô hình hấp dẫn kỳ lạ hoặc thậm chí có được manh mối về bản chất bí ẩn của năng lượng tối (là một bài viết hoàn toàn riêng biệt).
Điều này nghe có vẻ đơn giản nhưng nó không phải là. Các quan sát trong vũ trụ rất lộn xộn và phức tạp và nói chung là rất khó, bởi vì có rất nhiều thứ đối với vũ trụ của chúng ta hơn là các ngôi sao và thiên hà và vật chất tối và Kính viễn vọng Không gian James Webb.
Có bụi cũng có. Rất nhiều của nó.
Bụi được tạo thành từ các chuỗi carbon và oxy và hơn thế nữa, xoay tròn và xoáy bên trong các thiên hà, xung quanh các thiên hà và giữa các thiên hà. Hóa ra không gian liên thiên hà là một nơi khá lộn xộn. Có chỉ có bụi. Và bụi bặm với ánh sáng.
Khi ánh sáng từ những thiên hà xa xôi đó đi qua hàng tỷ năm tỷ ánh sáng để đến được James Webb, nó giao nhau rất nhiều bụi. Bụi đó sẽ phân tán nó, làm suy yếu nó, và cũng làm đỏ nó. Nói cách khác, nếu chúng ta cố gắng hiểu những thiên hà trẻ này trông như thế nào, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy những thiên hà này qua một màn sương mù mờ. Vì vậy, chúng tôi không thể có được - và sẽ không bao giờ có được - những hình ảnh rõ ràng trực tiếp về vũ trụ sơ khai.
Một lần nữa, mô phỏng để giải cứu.
Một ví dụ minh họa
Nhưng lần này các mô phỏng có một số hỗ trợ thêm. Họ có dữ liệu thực để làm việc với. Không phải dữ liệu từ vũ trụ sơ khai (vì chúng ta không có điều đó) mà là dữ liệu từ vũ trụ gần đó. Chúng tôi đã xây dựng các bản đồ và quan sát và nghiên cứu đến mức độ vô lý các tính chất của bụi ở giữa các thiên hà trong bản vá vũ trụ địa phương của chúng ta. Những dữ liệu này sau đó được cắm vào các mô phỏng của vũ trụ sơ khai để cố gắng đưa ra dự đoán chính xác nhất có thể về những gì James Webb sẽ thực sự nhìn thấy.
Nó giống như lấy các mẫu sương mù xung quanh bạn để cố gắng hiểu một ngọn hải đăng xa xôi thực sự trông như thế nào.
Gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu đã công bố kết quả từ một bộ mô phỏng có tên Illustris. Đúng như tên gọi, những mô phỏng này cực kỳ tinh vi, không chỉ liên quan đến vật chất tối và sự hình thành của các thiên hà, mà thậm chí còn mô phỏng ánh sáng phát ra từ các thiên hà này khi nó đi qua hàng tỷ năm ánh sáng bụi và vào một thứ gì đó như James Webb.
Mục tiêu chính của các mô phỏng là dự đoán James Webb sẽ thấy gì trong chức năng của các nhà thiên văn học gọi là chức năng độ sáng của thiên hà. Điều đó chỉ là một cách thú vị để nói có bao nhiêu thiên hà của mỗi mức độ sáng sẽ được nhìn thấy: có bao nhiêu thiên hà thực sự, bao nhiêu thiên hà sáng trung bình, bao nhiêu thiên hà mờ, v.v. Chức năng độ chói của thiên hà bị ảnh hưởng bởi các tính chất của vật chất tối: ví dụ, nếu vật chất tối cảm thấy đặc biệt vón cục, thì vũ trụ của chúng ta sẽ có nhiều thiên hà sáng hơn và điều này sẽ làm thay đổi chức năng độ chói này.
Nhưng bản thân chức năng độ chói cũng bị ảnh hưởng bởi bụi, vì bụi đang thay đổi tất cả ánh sáng phát ra từ tất cả các thiên hà. Những mô phỏng này là một số nỗ lực đầu tiên để cung cấp một bức tranh từ đầu đến cuối liên kết những gì James Webb sẽ thấy (nói cách khác, dữ liệu thực sự sẽ là gì) với vật lý cơ bản của sự hình thành vật chất tối và thiên hà.
Tất nhiên đây chỉ là bước đầu tiên; những mô phỏng này liên quan đến rất nhiều giả định và dự đoán tốt nhất dựa trên những quan sát hiện tại. Nhưng tôi chắc chắn vào thời điểm James Webb thực sự bay chúng tôi sẽ có nhiều dữ liệu hơn và nhiều mô phỏng hơn trong vành đai của chúng tôi.
Đọc thêm: Các dự đoán JWST dịch chuyển đỏ cao từ IllustrisTNG: Mô hình hóa bụi và các hàm độ sáng của thiên hà
