Przez ostatnie półtora roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dostarczał zdumiewających obrazów odległych galaktyk powstałych niedługo po Wielkim Wybuchu, dając naukowcom pierwszy przebłysk nowo powstałego wszechświata. Teraz grupa astrofizyków podniosła stawkę: znajdź najmniejsze i najjaśniejsze galaktyki na początku samego czasu, w przeciwnym razie naukowcy będą musieli całkowicie ponownie przemyśleć swoje teorie na temat ciemnej materii.
Zespół kierowany przez astrofizyków z UCLA przeprowadził symulacje śledzące powstawanie małych galaktyk po Wielkim Wybuchu i po raz pierwszy uwzględnił wcześniej pomijane interakcje między gazem i ciemną materią. Odkryli, że powstałe galaktyki są bardzo małe, znacznie jaśniejsze i powstają szybciej niż ma to miejsce w typowych symulacjach, które nie uwzględniają tych interakcji, zamiast tego ujawniają znacznie słabsze galaktyki.
Małe galaktyki, zwane także galaktykami karłowatymi, są obecne w całym wszechświecie i często uważa się, że reprezentują najwcześniejszy typ galaktyk. Małe galaktyki są zatem szczególnie interesujące dla naukowców badających pochodzenie Wszechświata. Jednak małe galaktyki, które znajdują, nie zawsze odpowiadają tym, które według nich powinny znaleźć. Te znajdujące się najbliżej Drogi Mlecznej wirują szybciej lub nie są tak gęste jak w symulacjach, co wskazuje, że w modelach mogło coś zostać pominięte, na przykład interakcje gazu z ciemną materią.
Nowe badania, opublikowane w The Astrophysical Journal Letters, ulepszają symulacje, dodając interakcje ciemnej materii z gazem i odkrywają, że te słabe galaktyki mogły być znacznie jaśniejsze, niż oczekiwano na początku historii Wszechświata, kiedy dopiero zaczynały się formować. Autorzy sugerują, że naukowcy powinni spróbować znaleźć małe galaktyki, które są znacznie jaśniejsze niż oczekiwano, za pomocą teleskopów takich jak teleskop Webba. Jeśli znajdą tylko słabe obiekty, wówczas niektóre z ich pomysłów na temat ciemnej materii mogą być błędne.
Ciemna materia to rodzaj hipotetycznej materii, która nie oddziałuje z elektromagnetyzmem ani światłem. Niemożliwa jest więc obserwacja za pomocą optyki, elektryczności czy magnetyzmu. Jednak ciemna materia oddziałuje z grawitacją, a jej obecność wywnioskowano z efektów grawitacyjnych, jakie wywiera na zwykłą materię – substancję, z której składa się cały obserwowalny wszechświat. Chociaż uważa się, że 84% materii we wszechświecie składa się z ciemnej materii, nigdy nie została ona bezpośrednio wykryta.
Wszystkie galaktyki otoczone są rozległym halo ciemnej materii, a naukowcy uważają, że ciemna materia była niezbędna do ich powstania. „Standardowy model kosmologiczny”, którego astrofizycy używają do zrozumienia powstawania galaktyk, opisuje, w jaki sposób skupiska ciemnej materii we wczesnym Wszechświecie przyciągały zwykłą materię poprzez grawitację, powodując powstawanie gwiazd i tworząc galaktyki, które widzimy dzisiaj. Ponieważ uważa się, że większość cząstek ciemnej materii – zwanej zimną ciemną materią – porusza się znacznie wolniej niż prędkość światła, proces akumulacji następowałby stopniowo.
Jednak ponad 13 miliardów lat temu, przed powstaniem pierwszych galaktyk, zwykła materia, składająca się z wodoru i helu z Wielkiego Wybuchu, oraz ciemna materia poruszały się względem siebie. Gaz przepływał z prędkością ponaddźwiękową obok gęstych zarośli wolniej poruszającej się ciemnej materii, która powinna była go wciągnąć, tworząc galaktyki.
„Istotnie, w modelach, które nie uwzględniają przesyłania strumieniowego, dokładnie tak się dzieje” – stwierdziła Claire Williams, doktorantka na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles i pierwsza autorka artykułu. „Gaz jest przyciągany przez przyciąganie grawitacyjne ciemnej materii, tworzy grudki i węzły tak gęste, że może nastąpić fuzja wodoru, tworząc w ten sposób gwiazdy podobne do naszego Słońca”.
Jednak Williams i współautorzy z zespołu Supersonic Project, czyli grupy astrofizyków ze Stanów Zjednoczonych, Włoch i Japonii pod przewodnictwem profesora fizyki i astronomii z UCLA Smadara Naoza, odkryli, że jeśli dodaliby efekt strumieniowania różnych prędkości pomiędzy ciemną i zwykłą materią, symulacje wykazały, że gaz wylądował daleko od ciemnej materii i od razu uniemożliwiono mu utworzenie gwiazd. Kiedy nagromadzony gaz opadł z powrotem do galaktyki miliony lat później, jednocześnie nastąpił masowy wybuch powstawania gwiazd. Ponieważ przez pewien czas w tych galaktykach było o wiele więcej młodych, gorących i świecących gwiazd niż w zwykłych małych galaktykach, świeciły znacznie jaśniej.
„Podczas gdy strumień hamował powstawanie gwiazd w najmniejszych galaktykach, wzmagał także powstawanie gwiazd w galaktykach karłowatych, powodując, że przyćmiewały one niepłynące strumieniowo obszary Wszechświata” – powiedział Williams. „Przewidujemy, że teleskop Webba będzie w stanie znaleźć obszary Wszechświata, w których galaktyki będą jaśniejsze dzięki tej prędkości. Fakt, że powinny one być tak jasne, może ułatwić teleskopowi odkrycie tych małych galaktyk, które są zazwyczaj niezwykle trudne do wykrycia zaledwie 375 milionów lat po Wielkim Wybuchu.”
Ponieważ ciemnej materii nie da się zbadać bezpośrednio, poszukiwanie jasnych plam galaktyk we wczesnym Wszechświecie mogłoby stanowić skuteczny test teorii na temat ciemnej materii, co jak dotąd okazało się bezowocne.
„Odkrycie plam małych, jasnych galaktyk we wczesnym Wszechświecie potwierdziłoby, że jesteśmy na dobrej drodze z modelem zimnej ciemnej materii, ponieważ tylko prędkość między dwoma rodzajami materii może wytworzyć typ galaktyki, którego szukamy, „ powiedział Naoz, profesor astrofizyki Howarda i Astrid Preston. „Jeśli ciemna materia nie zachowuje się jak standardowa zimna ciemna materia i nie występuje efekt strumieniowania, wówczas te jasne galaktyki karłowate nie zostaną znalezione i będziemy musieli wrócić do deski kreślarskiej”.
Badania były wspierane przez National Science Foundation i NASA.