Webb kan een theorie over donkere materie rechtstreeks testen

By | February 12, 2024

Hoe zit het met sterrenstelsels en donkere materie? De meeste, zo niet alle, sterrenstelsels zijn omgeven door halo’s gemaakt van dit mysterieuze, onbekende maar alomtegenwoordige materiaal. En het speelde ook een rol bij de vorming van sterrenstelsels. De aard van deze rol is iets waar astronomen nog steeds achter staan. Tegenwoordig struinen ze het jonge heelal af op zoek naar de kleinste en helderste sterrenstelsels. Dat komt omdat ze kunnen helpen licht te werpen op de rol van donkere materie bij de vorming van de melkweg.

Een internationaal team van astronomen onder leiding van Smadar Naoz van UCLA voert simulaties uit van de vorming van vroege sterrenstelsels. Hun computerprogramma’s volgen de omstandigheden van galactische geboorten kort na de oerknal. Deze computermodellen die net van de pers zijn gekomen, bevatten enkele nieuwe rimpels. Ze houden rekening met voorheen verwaarloosde interacties tussen donkere materie en de oorspronkelijke ‘dingen’ van het universum. Dat zou waterstof en heliumgas zijn. Het resultaat van de simulaties: kleine, heldere sterrenstelsels die sneller ontstonden dan in computermodellen die geen rekening hielden met deze bewegingen. Nu hoeven astronomen ze alleen nog maar te vinden met behulp van JWST om te zien of hun theorieën over donkere materie standhouden.

Interacties van donkere materie met supersonische baryonische materie

Welk verschil zouden interacties tussen baryonische materie en donkere materie maken? Hier is een waarschijnlijk verhaal: in het vroege heelal bewogen gaswolken met supersonische snelheden langs klontjes donkere materie. Het weerkaatste tegen de donkere materie. Uiteindelijk, na miljoenen jaren, kwam het gasvormige materiaal weer samen in een explosie van stervorming, waardoor sterren ontstonden. De simulaties van het team volgen de vorming van deze sterrenstelsels direct na de oerknal.

Een samengesteld model van de verdeling van materie in het heelal (met donkere materie-overlay) in een simulatie van de vorming van sterrenstelsels, gecreëerd door de TNG Collaboration.

Het team van Naoz gelooft dat het bestaan ​​van deze kleinere, helderdere en verder weg gelegen sterrenstelsels het zogenaamde ‘koude donkere materie’-model zou kunnen bevestigen. Dit suggereert dat het heelal na de oerknal zich in een hete, dichte toestand bevond die alleen maar gassen bevatte. In de loop van de tijd evolueerde dit naar een klonterige verdeling van sterrenstelsels (en uiteindelijk clusters van sterrenstelsels). Er zijn onderweg sterren en sterrenstelsels gevormd, maar de vroegste stappen zijn waarschijnlijk afhankelijk van de zwaartekrachtinteractie met donkere materie. Als de supersonische interacties, gemodelleerd door het team van Naoz, daadwerkelijk zouden plaatsvinden, zouden deze kleine sterrenstelsels het resultaat zijn.

Simulatie van de vorming van sterrenstelsels en de invloed van donkere materie

JWST heeft tijdens zijn operationele levensduur een aantal behoorlijk vroege sterrenstelsels gezien. De allereerste zijn nog niet herkend. De beelden die het opleverde, zijn echter verleidelijke aanwijzingen voor wat er in eerdere tijdperken had kunnen bestaan ​​en zouden inzicht kunnen verschaffen in de rol van donkere materie. Het is dus logisch dat astronomen hun perspectief zo ​​ver mogelijk terug in de tijd willen duwen. En dat betekent zoeken naar heldere lichtvlekken die een paar honderd miljoen jaar na de oerknal bestonden.

Artistieke opvatting van sterrenstelsels in het vroege heelal.  Sterren en sterrenstelsels worden weergegeven in de heldere witte lichtpunten, terwijl de meer diffuse donkere materie en gas worden weergegeven in paarse en rode tinten.  Vroege gaswolken stuiterden langs klontjes donkere materie, maar klonterden onder de zwaartekracht van de donkere materie weer samen, wat de vorming van sterren veroorzaakte.  Fotocredit: Aaron M. Geller/Northwestern/CIERA + IT-RCDS
Artistieke opvatting van sterrenstelsels in het vroege heelal. Sterren en sterrenstelsels worden weergegeven in helderwitte lichtpunten, terwijl donkere materie en gas worden weergegeven in paarse en rode tinten. Vroege gaswolken stuiterden langs klonten donkere materie en klonterden vervolgens weer samen onder de zwaartekracht van donkere materie, wat de vorming van sterren veroorzaakte. Fotocredit: Aaron M. Geller/Northwestern/CIERA + IT-RCDS

“De ontdekking van stukjes kleine, heldere sterrenstelsels in het vroege heelal zou bevestigen dat we op de goede weg zijn met het model van koude donkere materie, omdat alleen de snelheid tussen twee soorten materie het type sterrenstelsel kan voortbrengen waarnaar we op zoek zijn. zei Naoz. “Als donkere materie zich niet gedraagt ​​als normale koude donkere materie en het streaming-effect niet aanwezig is, zullen deze heldere dwergstelsels niet gevonden worden en zullen we terug moeten naar de tekentafel.”

In een artikel van teamlid en eerste auteur Claire Williams (gepubliceerd in Astrofysische dagboekbrieven), suggereert het team dat wetenschappers JWST gebruiken om op zoek te gaan naar sterrenstelsels die veel helderder zijn dan verwacht. Als ze bestaan, zou dat waarschijnlijk een bewijs zijn dat de interacties vroeg in de kosmische tijd plaatsvonden. Als er geen kan worden gevonden, begrijpen wetenschappers mogelijk nog steeds de interacties tussen donkere materie niet. De grote vraag die moet worden beantwoord is: als ze bestaan, hoe zijn ze dan zo snel gevormd en waarom zijn ze zo helder?

Stroomt door gangen van donkere materie

Laten we dit onderzoeken door te kijken naar de rol van donkere materie. Het Standaard Kosmologische Model stelt dat de zwaartekracht van klontjes donkere materie in het vroege heelal gewone materie aantrok. Dit leidde uiteindelijk tot de vorming van sterren en vervolgens sterrenstelsels. Er wordt aangenomen dat donkere materie langzamer beweegt dan licht. Daarom voorspelden astronomen dat de vormingsprocessen van sterren en sterrenstelsels zeer geleidelijk plaatsvonden. Dat is tenminste wat eerdere simulaties suggereren.

Maar wat als er meer dan 13 miljard jaar geleden iets anders was gebeurd? Hoe zou dat veranderen? Het was een tijd voordat de eerste sterrenstelsels ontstonden. Maar het was een tijd waarin gewone materie door het uitdijende heelal stroomde in de vorm van grote superdichtheden van waterstof- en heliumgas. Het weerkaatste tegen langzamer bewegende klontjes donkere materie en ontsnapte, althans tijdelijk, aan zijn zwaartekracht. Vervolgens hoopte de baryonische materie zich weer op onder invloed van donkere materie. Toen begon het stergeboortevuurwerk.

Deze afbeelding toont het sterrenstelsel EGSY8p7, een helder sterrenstelsel in het vroege heelal, waar onder andere de lichtemissies van aangeslagen waterstofatomen te zien zijn: Lyman alpha-emissie.  Wetenschappers bestuderen deze en andere jonge sterrenstelsels om de rol van donkere materie in de vroege kosmische geschiedenis te begrijpen.
Deze afbeelding toont het sterrenstelsel EGSY8p7, een helder sterrenstelsel in het vroege heelal, waar onder andere de lichtemissies van aangeslagen waterstofatomen te zien zijn: Lyman alpha-emissie. Wetenschappers bestuderen deze en andere jonge sterrenstelsels om de rol van donkere materie in de vroege kosmische geschiedenis te begrijpen.

“Terwijl de stroom de stervorming in de kleinste sterrenstelsels onderdrukte, versnelde het ook de stervorming in dwergstelsels, waardoor ze de niet-stromende gebieden van het universum overtroffen”, aldus Williams. In wezen begon het opgehoopte gas na miljoenen jaren in te storten. Dit leidde tot een enorme uitbarsting van stervorming. Veel massieve, hete, jonge sterren begonnen te schijnen en overtroffen de sterren in andere kleine sterrenstelsels. Uiteindelijk betekent dit dat de heldere delen van sterrenstelsels een indirect bewijs kunnen zijn van hun bestaan, aangezien donkere materie niet ‘zichtbaar’ is. En ze zouden bewijzen welke rol donkere materie speelde bij de vorming van sterrenstelsels.

Vind die lichtpuntjes

Niemand heeft nog precies gezien waar Naoz en het team naar op zoek zijn. Als ze dit eenmaal doen, zal het een grote bijdrage leveren aan het verschaffen van inzicht in de rol van koude donkere materie. “De ontdekking van stukjes kleine, heldere sterrenstelsels in het vroege heelal zou bevestigen dat we op de goede weg zijn met het model van koude donkere materie, omdat alleen de snelheid tussen twee soorten materie het type sterrenstelsel kan voortbrengen waarnaar we op zoek zijn. zei Naoz.

Natuurlijk is JWST een perfecte telescoop om deze sterrenstelsels te zien. Het zou in delen van het heelal moeten kunnen kijken waar kleine jonge sterrenstelsels helderder zijn dan astronomen verwachten. Deze extreme helderheid zal de JWST helpen ze te detecteren en ze te laten zien zoals ze verschenen toen het universum nog maar een paar honderd miljoen jaar oud was. Omdat het onmogelijk is om donkere materie rechtstreeks te bestuderen, zou het vinden van deze heldere plekken van babystelsels in het vroege heelal een krachtige test kunnen opleveren voor theorieën over donkere materie en de rol ervan bij de vorming van de eerste sterrenstelsels.

Voor meer informatie

Heldere sterrenstelsels stellen donkere materie op de proef
Het supersonische project: het verlichten van het zwakke uiteinde van de JWST UV-helderheidsfunctie

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *