Zespół astrofizyków rzucił nowe światło na naturę materii dzięki wykryciu przez JWST galaktyk sprzed 13 miliardów lat oraz nowatorskim, najnowocześniejszym symulacjom numerycznym pierwszych galaktyk. Badanie dodaje kolejny element do układanki natury materii we Wszechświecie.
Podczas gdy powszechnie akceptowany paradygmat formowania się struktur opiera się na nierelatywistycznej materii, która oddziałuje tylko grawitacyjnie, czyli na zimnej ciemnej materii, alternatywne możliwości rozwiązania małoskalowych problemów w standardowym scenariuszu opierają się na hipotezie, że ciemna materia składa się z „ciepłej” ciemnej materii.
Odkryliśmy, że ostatnie detekcje galaktyk przez JWST w pierwszym ułamku miliarda lat po Wielkim Wybuchu są cennymi próbnikami natury materii – powiedział dr Umberto Maio, pracownik naukowy Włoskiego Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF), Obserwatorium Astronomicznego w Trieście i główny autor pracy opublikowanej w Astronomy & Astrophysics. Badania pokazują, że ciemna materia, główny składnik materii we Wszechświecie, składa się z cząstek, które są albo „zimne” albo tylko łagodnie „ciepłe” i o masie większej niż 2 keV. Modele ciemnej materii z masami cząstek równymi lub mniejszymi od tego limitu są wykluczone z badania.
Podczas gdy poprzednie prace wykluczyły możliwość rozróżnienia natury materii poprzez wykorzystanie danych z ostatnich epok, dane ze znacznie wcześniejszych czasów i symulacje numeryczne ad hoc – podstawa nowego badania – były potrzebne, aby dostarczyć informacji o trendach statystycznych pierwotnych galaktyk i przełamać modele degradacji.
To, co zrobiliśmy to zastosowaliśmy naszą nową numeryczną implementację wczesnego formowania się galaktyk do interpretacji najnowszych danych JWST – powiedział dr Maio. Zobaczyliśmy, że w okresie, gdy tworzą się pierwsze gwiazdy i galaktyki, właściwości widocznych struktur obecnych we Wszechświecie zależą od masy cząstek ciemnej materii.
Rzeczywiście, w badaniu znaleziono dowody na to, że ilość kosmologicznych formacji gwiazdowych, jasność ultrafioletu i obfitości molekularne różnią się w różnych modelach ciemnej materii i te różnice można zestawić z najnowszymi danych JWST, pierwszymi docierającymi do „starożytnego” Wszechświata.
Badania opierały się na wyjątkowych obserwacjach galaktyk w ciągu pierwszego pół miliarda lat, wykrytych za pomocą JWST – powiedział prof. Matteo Viel z International School for Advanced Studies w Trieście i współautor badań. To ważne zastosowanie danych naukowych w tak pierwotnych epokach, aby ograniczyć naturę ciemnej materii. Dzięki JWST zaobserwowaliśmy najodleglejsze galaktyki we Wszechświecie, a ich właściwości dają nam jasne informacje o ich składnikach.
Badania pokazują, jak dwie obserwowalne funkcje, funkcja jasności i funkcja korelacji galaktyk w małych skalach słabych obiektów, zwłaszcza gdy są używane w połączeniu, są obiecującymi narzędziami do rozróżniania różnych modeli ciemnej materii. Wyniki badań są również zgodne z właściwościami ośrodka międzygalaktycznego, „kosmicznej sieci”, w nowszych epokach.
W przyszłości, gdy dostępnych będzie więcej danych dla małych, słabych, młodych źródeł, dalsze wskazówki mogą pochodzić z wczesnych statystyk dotyczących masy gwiazd i emisji tlenku węgla w galaktyce – podsumowują naukowcy. Odkrycie takich wczesnych galaktyk pokazuje, że struktury te mogą powstać w ciągu zaledwie ułamka miliarda lat. Tak więc w niedalekiej przyszłości możliwe będzie wykrywanie coraz większej liczby pierwotnych galaktyk gwiazdotwórczych, co utoruje drogę do lepszego zrozumienia natury materii.
Więcej informacji:
- New evidence for the nature of matter from ancient galaxies in the early Universe
- JWST high-redshift galaxy constraints on warm and cold dark matter models
Źródło: Astronomical Observatory of Trieste
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Rozkład materii pierwotnej w modelach kosmologicznych z ciepłą ciemną materią (WDM, po lewej) i zimną ciemną materią (CDM, po prawej). Źródło: I.N.A.F.