Cuando se trata de las primeras galaxias, el telescopio espacial James Webb intentará comprender la formación de esas galaxias y su vínculo con la materia oscura subyacente. Entonces, al estudiar las galaxias, y especialmente su formación, podemos obtener algunas pistas sobre cómo funciona la materia oscura. Al menos, esa es la esperanza. Resulta que la astronomía es un poco más complicada que eso, y una de las principales cosas con las que tenemos que lidiar al estudiar estas galaxias distantes es el polvo. Mucho polvo
Así es: buen polvo a la antigua. Y gracias a algunas simulaciones sofisticadas, estamos empezando a aclarar la imagen.
Que haya luz
Las galaxias comenzaron a formarse hace mucho tiempo, solo unos pocos cientos de millones de años en la historia de nuestro universo. Pero hasta ahora no tenemos imágenes directas de esas primeras galaxias. Simplemente están demasiado lejos para que su luz nos alcance sin un telescopio masivo. Además, como están muy distantes y el universo se ha expandido desde que se emitió su luz, ya no brillan con luz visible. Su luz se ha desplazado al rojo hacia el espectro infrarrojo. Entonces, para tener alguna posibilidad de mapear estas galaxias infantiles, necesitamos un gran telescopio infrarrojo. Entra en el James Webb.
James Webb no es un instrumento de encuesta; no mapeará un volumen increíblemente grande del universo. Pero definitivamente nos dará algunos retratos de cómo era el universo hace más de 13 mil millones de años, y especialmente cómo eran esas galaxias jóvenes. Y la estructura y composición de esas galaxias depende de la materia oscura subyacente. Todo, desde la cantidad de materia oscura, de qué está hecho exactamente y cómo decide agruparse, afecta la formación de galaxias. Estas propiedades (actualmente desconocidas) de la materia oscura cambian cuántas galaxias hay, qué tan brillantes son e incluso qué tipo de estrellas albergan.
Sin embargo, esta conexión entre las galaxias y la materia oscura en realidad solo se entiende en simulaciones. Esto se debe a que no tenemos muchas observaciones directas de la materia oscura (como si el nombre en sí no te diera idea). En resumen, no entendemos completamente qué es la materia oscura. Entonces, a veces tenemos que adivinar, y ponemos estas conjeturas dentro de una simulación por computadora del crecimiento del universo, y vemos cómo reacciona la materia normal, como las estrellas, el gas y el polvo, y forma galaxias.
Que haya polvo
Entonces, al comparar las imágenes y estadísticas reales de galaxias reveladas por James Webb con nuestras diversas simulaciones, esperamos encontrar la mejor coincidencia y elegir qué modelo de materia oscura es el más preciso. A partir de ahí, podemos aprender aún más sobre el universo, como buscar modelos exóticos de gravedad o incluso obtener una pista sobre la naturaleza misteriosa de la energía oscura (que es un artículo completamente separado).
Esto suena sencillo pero no lo es. Las observaciones en el universo son muy desordenadas y complicadas y generalmente muy difíciles, porque hay mucho más en nuestro universo que solo estrellas y galaxias y materia oscura y el telescopio espacial James Webb.
También hay polvo. Mucho de eso.
El polvo está hecho de cadenas de carbono y oxígeno y más, girando y girando dentro de las galaxias, alrededor de las galaxias y entre las galaxias. Resulta que el espacio intergaláctico es un lugar bastante desordenado. Solo hay polvo. Y el polvo se mete con la luz.
A medida que la luz de esas galaxias distantes atraviesa miles de millones de años luz para llegar a James Webb, se cruza con mucho polvo. Ese polvo lo dispersará, lo debilitará y también lo desplazará al rojo. En otras palabras, si estamos tratando de entender cómo son estas galaxias jóvenes, solo podemos ver estas galaxias a través de una niebla brumosa. Por lo tanto, no tenemos, y nunca obtendremos, imágenes claras directas del universo primitivo.
Una vez más, simulaciones al rescate.
Un ejemplo ilustrativo
Pero esta vez las simulaciones tienen algo de ayuda extra. Tienen datos reales en vivo para trabajar. No datos del universo temprano (porque todavía no lo tenemos) sino datos del universo cercano. Hemos construido mapas y observaciones y estudiamos hasta cierto punto las propiedades del polvo entre las galaxias en nuestro parche local del cosmos. Estos datos luego se conectan a las simulaciones del universo primitivo para tratar de hacer predicciones lo más precisas posibles de lo que James Webb realmente verá.
Es como tomar muestras de la niebla a tu alrededor para tratar de entender cómo se ve realmente un faro distante.
Recientemente, un equipo de investigadores publicó los resultados de un conjunto de simulaciones llamadas Illustris. Como su nombre lo indica, estas simulaciones son increíblemente sofisticadas e involucran no solo la materia oscura y la formación de galaxias, sino que incluso simulan la luz emitida por estas galaxias a medida que atraviesa miles de millones de años luz de polvo y se convierte en algo así como James Webb.
El objetivo clave de las simulaciones era predecir lo que James Webb verá en lo que los astrónomos llaman la función de luminosidad de la galaxia. Esa es solo una manera elegante de decir cuántas galaxias de cada nivel de brillo se verán: cuántas realmente brillantes, cuántas medias-brillantes, cuántas oscuras, etc. La función de luminosidad de la galaxia está influenciada por las propiedades de la materia oscura: por ejemplo, si la materia oscura se siente especialmente grumosa, entonces nuestro universo tendrá galaxias más brillantes y esto cambiará esta función de luminosidad.
Pero la función de luminosidad también está influenciada por el polvo, porque el polvo está cambiando toda la luz emitida por todas las galaxias. Estas simulaciones son algunos de los primeros intentos de proporcionar una imagen de extremo a extremo que vincule lo que verá James Webb (en otras palabras, cuáles serán los datos) con la física subyacente de la materia oscura y la formación de galaxias.
Por supuesto, este es solo el primer paso; Estas simulaciones implican muchos supuestos y mejores suposiciones basadas en observaciones actuales. Pero estoy seguro de que para cuando James Webb realmente vuele tendremos muchos más datos y muchas más simulaciones en nuestro haber.
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