Ketika datang ke galaksi pertama, Teleskop Angkasa James Webb akan berusaha memahami pembentukan galaksi tersebut dan kaitannya dengan perkara gelap yang mendasari. Oleh itu, dengan mengkaji galaksi - dan terutamanya pembentukannya - kita dapat mendapatkan petunjuk bagaimana bahan gelap berfungsi. Paling tidak, itulah harapannya. Ternyata astronomi sedikit lebih rumit daripada itu, dan salah satu perkara utama yang harus kita hadapi ketika mempelajari galaksi yang jauh ini adalah debu. Banyak habuk.
Betul: habuk kuno yang bagus. Dan berkat beberapa simulasi mewah, kami mula membersihkan gambarnya.
Biarkan Ada Cahaya
Galaksi mula-mula mula terbentuk sejak dulu, hanya beberapa ratus juta tahun ke dalam sejarah alam semesta kita. Tetapi setakat ini kita tidak mempunyai gambaran langsung mengenai galaksi pertama itu. Mereka terlalu jauh untuk cahaya mereka sampai ke kami tanpa teleskop besar. Terlebih lagi, kerana mereka sangat jauh dan alam semesta telah berkembang sejak cahaya mereka dipancarkan, mereka tidak lagi bersinar dalam cahaya yang dapat dilihat. Cahaya mereka telah dialihkan ke spektrum inframerah. Oleh itu, untuk memetakan galaksi bayi ini, kita memerlukan teleskop inframerah yang besar. Masukkan James Webb.
James Webb bukan instrumen tinjauan; ia tidak akan memetakan jumlah alam semesta yang sangat besar. Tetapi ia pasti akan memberi kita beberapa potret seperti apa alam semesta ini lebih dari 13 bilion tahun yang lalu, dan terutama bagaimana galaksi muda itu. Dan struktur dan komposisi galaksi-galaksi tersebut bergantung pada bahan gelap yang mendasari. Segala-galanya dari jumlah benda gelap, dari apa sebenarnya ia dibuat, dan bagaimana ia memutuskan untuk berkumpul semuanya mempengaruhi pembentukan galaksi. Sifat-sifat materi gelap (yang sekarang tidak diketahui) mengubah berapa banyak galaksi di sana, seberapa terang mereka, dan bahkan jenis bintang apa yang mereka host.
Walau bagaimanapun, hubungan antara galaksi dan bahan gelap benar-benar hanya difahami dalam simulasi. Ini kerana kami tidak mempunyai banyak pemerhatian langsung mengenai perkara gelap (seolah-olah nama itu sendiri tidak memberi anda petunjuk). Ringkasnya, kita tidak sepenuhnya memahami apa itu masalah gelap. Jadi kadang-kadang kita harus meneka, dan kita memasukkan tekaan ini di dalam simulasi komputer mengenai pertumbuhan alam semesta, dan kita melihat bagaimana perkara normal seperti bintang dan gas dan debu bertindak balas terhadapnya dan membentuk galaksi.
Biarkan Ada Debu
Oleh itu, dengan membandingkan gambar dan statistik galaksi sebenar yang dinyatakan oleh James Webb dengan pelbagai simulasi kami, kami dapat dengan mudah mencari padanan terbaik dan memilih model bahan gelap yang paling tepat. Dari sana kita dapat belajar lebih banyak lagi tentang alam semesta, seperti mencari model graviti eksotik atau bahkan mendapat petunjuk mengenai sifat misteri tenaga gelap (yang merupakan artikel yang sama sekali terpisah).
Ini kedengaran langsung tetapi tidak. Pemerhatian di alam semesta sangat berantakan dan rumit dan umumnya sangat sukar, kerana terdapat lebih banyak lagi bagi alam semesta kita daripada hanya bintang dan galaksi dan benda gelap dan Teleskop Angkasa James Webb.
Terdapat juga habuk. Sebilangan besarnya.
Debu terbuat dari tali karbon dan oksigen dan banyak lagi, berpusing dan berputar di dalam galaksi, sekitar galaksi, dan antara galaksi. Ternyata ruang intergalaksi adalah tempat yang cukup tidak kemas. Hanya ada habuk. Dan habuk merosakkan cahaya.
Ketika cahaya dari galaksi-galaksi yang jauh itu melewati berbilion-bilion tahun cahaya untuk mencapai James Webb, cahaya itu memotong banyak debu. Debu itu akan menghamburkannya, melemahkannya, dan juga memindahkannya ke merah. Dengan kata lain, jika kita ingin memahami seperti apa galaksi muda ini, kita hanya dapat melihat galaksi ini melalui kabus kabur. Oleh itu, kita tidak mempunyai - dan tidak akan pernah mendapat - gambaran jelas mengenai alam semesta awal.
Sekali lagi, simulasi untuk menyelamatkan.
Contoh Ilustrasi
Tetapi kali ini simulasi mempunyai bantuan tambahan. Mereka mempunyai data langsung untuk digunakan. Bukan data dari alam semesta awal (kerana kita belum memilikinya) tetapi data dari alam semesta yang berdekatan. Kami telah membuat peta dan pemerhatian dan mengkaji sejauh mana sifat debu di antara galaksi di kawasan kosmos tempatan kami. Data-data ini kemudian dimasukkan ke dalam simulasi alam semesta awal untuk membuat ramalan seakurat mungkin mengenai apa yang sebenarnya akan dilihat oleh James Webb.
Seperti mengambil contoh kabut di sekitar anda untuk memahami bagaimana sebenarnya rumah api yang jauh.
Baru-baru ini satu pasukan penyelidik menerbitkan hasil dari rangkaian simulasi yang disebut Illustris. Seperti namanya, simulasi ini sangat canggih, yang melibatkan bukan hanya bahan gelap dan pembentukan galaksi, tetapi bahkan mensimulasikan cahaya yang dipancarkan dari galaksi ini ketika melewati debu berbilion tahun cahaya dan menjadi sesuatu seperti James Webb.
Matlamat utama simulasi adalah untuk meramalkan apa yang akan dilihat oleh James Webb dalam apa yang disebut oleh ahli astronomi sebagai fungsi cahaya galaksi. Itu hanya cara menarik untuk mengatakan berapa banyak galaksi dari setiap tahap kecerahan yang akan dilihat: berapa banyak galaksi yang benar-benar terang, berapa banyak cahaya sederhana, berapa yang redup, dan sebagainya. Fungsi kilauan galaksi dipengaruhi oleh sifat-sifat bahan gelap: sebagai contoh, jika bahan gelap terasa sangat gumpalan, maka alam semesta kita akan mempunyai galaksi yang lebih terang dan ini akan mengubah fungsi cahaya ini.
Tetapi fungsi pencahayaan itu sendiri juga dipengaruhi oleh debu, kerana debu mengubah semua cahaya yang dipancarkan dari semua galaksi. Simulasi ini adalah beberapa percubaan pertama untuk memberikan gambar ujung ke hujung yang menghubungkan apa yang akan dilihat oleh James Webb (dengan kata lain, apa sebenarnya data itu) dengan fizik asas pembentukan bahan gelap dan galaksi.
Sudah tentu ini hanya langkah pertama; simulasi ini melibatkan banyak andaian dan dugaan terbaik berdasarkan pemerhatian semasa. Tetapi saya yakin pada masa James Webb benar-benar terbang, kita akan mempunyai lebih banyak data dan lebih banyak simulasi di bawah pengawasan kita.
Baca lebih lanjut: "Ramalan JWST pergeseran merah tinggi dari IllustrisTNG: Pemodelan debu dan fungsi cahaya galaksi"
