Quando se trata das primeiras galáxias, o Telescópio Espacial James Webb tentará entender a formação dessas galáxias e sua ligação com a matéria escura subjacente. Assim, estudando galáxias - e especialmente sua formação -, podemos obter algumas dicas de como a matéria escura funciona. Pelo menos, essa é a esperança. Acontece que a astronomia é um pouco mais complicada do que isso, e uma das principais coisas com as quais temos que lidar ao estudar essas galáxias distantes é a poeira. Muita poeira.
É isso mesmo: boa poeira antiquada. E, graças a algumas simulações sofisticadas, estamos começando a esclarecer a questão.
Que haja luz
As galáxias começaram a se formar há muito tempo, apenas algumas centenas de milhões de anos na história do nosso universo. Mas até agora não temos imagens diretas dessas primeiras galáxias. Eles estão muito longe para que a luz chegue até nós sem um telescópio enorme. Além disso, como estão muito distantes e o universo se expandiu desde que a luz foi emitida, eles não brilham mais na luz visível. Sua luz foi reduzida para o espectro infravermelho. Portanto, para ter alguma chance de mapear essas galáxias infantis, precisamos de um grande telescópio infravermelho. Digite o James Webb.
O James Webb não é um instrumento de pesquisa; não mapeará um volume incrivelmente grande do universo. Mas definitivamente nos dará alguns retratos de como era o universo há mais de 13 bilhões de anos atrás, e especialmente como eram essas galáxias jovens. E a estrutura e composição dessas galáxias depende da matéria escura subjacente. Tudo, desde a quantidade de matéria escura, do que exatamente é feita e como decide agrupar, tudo afeta a formação de galáxias. Essas propriedades (atualmente desconhecidas) da matéria escura alteram quantas galáxias existem, quão brilhantes são e até que tipo de estrelas elas hospedam.
No entanto, essa conexão entre galáxias e matéria escura é realmente apenas entendida em simulações. Isso ocorre porque não temos muitas observações diretas da matéria escura (como se o próprio nome não lhe desse uma pista). Em resumo, não entendemos completamente o que é matéria escura. Às vezes, temos que adivinhar, e colocamos essas suposições dentro de uma simulação em computador do crescimento do universo, e vemos como a matéria normal, como estrelas, gás e poeira reage a isso e forma galáxias.
Que haja poeira
Portanto, comparando as imagens e estatísticas reais de galáxias reveladas por James Webb com nossas várias simulações, esperamos encontrar a melhor correspondência e escolher qual modelo de matéria escura é o mais preciso. A partir daí, podemos aprender ainda mais sobre o universo, como caçar modelos exóticos de gravidade ou até mesmo obter uma pista sobre a natureza misteriosa da energia escura (que é um artigo totalmente separado).
Isso parece simples, mas não é. Observações no universo são muito confusas e complicadas e geralmente muito difíceis, porque há muito mais no nosso universo do que apenas estrelas, galáxias e matéria escura e o Telescópio Espacial James Webb.
Também tem poeira. Muito disso.
O pó é feito de cordas de carbono e oxigênio e muito mais, girando e girando dentro das galáxias, ao redor das galáxias e entre galáxias. Acontece que o espaço intergaláctico é um lugar bastante confuso. Há apenas poeira. E poeira mexe com a luz.
À medida que a luz dessas galáxias distantes passa bilhões e bilhões de anos-luz para alcançar o James Webb, ela cruza muita poeira. Esse pó o espalhará, enfraquecerá e também mudará para vermelho. Em outras palavras, se estamos tentando entender como são essas galáxias jovens, só podemos vê-las através de um nevoeiro nebuloso. Portanto, não temos - e nunca teremos - imagens diretas e claras do universo primitivo.
Mais uma vez, simulações para o resgate.
Um exemplo ilustrativo
Mas desta vez as simulações têm assistência extra. Eles têm dados reais ao vivo para trabalhar. Não são dados do universo primitivo (porque ainda não o temos), mas dados do universo próximo. Construímos mapas e observações e estudamos de maneira ridícula as propriedades da poeira entre galáxias em nossa região do cosmos. Esses dados são então conectados às simulações do universo primitivo para tentar fazer previsões o mais precisas possíveis do que o James Webb realmente verá.
É como coletar amostras de neblina ao seu redor para tentar entender como um farol distante realmente se parece.
Recentemente, uma equipe de pesquisadores publicou resultados de um conjunto de simulações chamado Illustris. Como o nome sugere, essas simulações são incrivelmente sofisticadas, envolvendo não apenas a matéria escura e a formação de galáxias, mas também simulando a luz emitida por essas galáxias, que passa por bilhões de anos-luz de poeira e se transforma em algo como o James Webb.
O objetivo principal das simulações era prever o que James Webb verá no que os astrônomos chamam de função de luminosidade da galáxia. Essa é apenas uma maneira elegante de dizer quantas galáxias de cada nível de brilho serão vistas: quantas realmente brilhantes, quantas de brilho médio, quantas de brilho e assim por diante. A função de luminosidade da galáxia é influenciada pelas propriedades da matéria escura: por exemplo, se a matéria escura estiver se sentindo especialmente irregular, nosso universo terá galáxias mais brilhantes e isso mudará essa função de luminosidade.
Mas a função de luminosidade também é influenciada pelo pó, porque o pó está mudando toda a luz emitida por todas as galáxias. Essas simulações são algumas das primeiras tentativas de fornecer uma imagem de ponta a ponta ligando o que o James Webb verá (em outras palavras, quais serão os dados realmente) à física subjacente da matéria escura e formação de galáxias.
Claro que este é apenas o primeiro passo; essas simulações envolvem muitas suposições e melhores suposições com base nas observações atuais. Mas tenho certeza que quando James Webb realmente voar, teremos muito mais dados e muito mais simulações.
Leia mais: “Grandes previsões de JWST no desvio para o vermelho da IllustrisTNG: funções de modelagem de poeira e luminosidade da galáxia”
