אסטרופיזיקאים של UCLA השתמשו בסימולציות חדשות כדי לחשוף שייתכן שהגלקסיות המוקדמות ביותר היו קטנות ובהירות מכפי שהאמינו בעבר, מה שמאתגר את תיאוריות החומר האפל הנוכחיות. על ידי שילוב אינטראקציות בין גז וחומר אפל, המחקר שלהם מצביע על כך שגלקסיות ננסיות בהירות אלה, אם יימצאו על ידי טלסקופ החלל ג'יימס ווב, יוכלו לאמת מודלים קיימים. עם זאת, היעדרם יביא להערכה מחדש של הבנתנו את החומר האפל ואת היווצרות היקום.
אם תיאוריות של חומר אפל קר יתממשו, טלסקופ החלל ווב אמור לגלות גלקסיות זעירות ובהירות של היקום המוקדם
בשנה וחצי האחרונות, ה טלסקופ החלל ג'יימס ווב סיפקה תמונות מדהימות של גלקסיות רחוקות שנוצרו זמן לא רב לאחר מכן המפץ הגדול, נותן למדענים את ההצצות הראשונות שלהם על יקום התינוקות. כעת, קבוצה של אסטרופיזיקאים העלתה את הקצב: מצא את הגלקסיות הקטנות והבהירות ביותר ליד תחילת הזמן עצמו, אחרת המדענים יצטרכו לחשוב מחדש לחלוטין על התיאוריות שלהם לגבי החומר האפל.
הצוות, בראשות UCLA אסטרופיזיקאים, הפעילו סימולציות שעקבות אחר היווצרותן של גלקסיות קטנות לאחר המפץ הגדול וכללו, לראשונה, אינטראקציות שהוזנחו בעבר בין גז לחומר אפל. הם גילו שהגלקסיות שנוצרו הן זעירות מאוד, הרבה יותר בהירות, ומתגבשות מהר יותר מאשר בסימולציות טיפוסיות שאינן לוקחות בחשבון את האינטראקציות הללו, אלא חושפות גלקסיות חלשות הרבה יותר.
חשיבותן של גלקסיות ננסיות במחקרים קוסמיים
גלקסיות קטנות, הנקראות גם גלקסיות ננסיות, קיימות בכל היקום, ולעתים קרובות נחשבות כמייצגות את הסוג הקדום ביותר של גלקסיות. לכן, גלקסיות קטנות מעניינות במיוחד מדענים החוקרים את מקורות היקום. אבל הגלקסיות הקטנות שהם מוצאים לא תמיד תואמות למה שהם חושבים שהם צריכים למצוא. הקרובים ביותר ל שביל החלב מסתובב מהר יותר או שהם לא צפופים כמו בסימולציות, מה שמצביע על כך שהמודלים אולי השמיטו משהו, כמו אינטראקציות גז-חומר אפל אלה.
המחקר החדש, שפורסם ב ה מכתבי יומן אסטרופיזיים, משפר את ההדמיות על ידי הוספת אינטראקציות של חומר אפל עם גז ומגלה שייתכן שהגלקסיות הקלושות הללו היו בהירות הרבה יותר מהצפוי בתחילת ההיסטוריה של היקום, כשהן רק התחילו להיווצר. המחברים מציעים שמדענים צריכים לנסות למצוא גלקסיות קטנות שהן הרבה יותר בהירות מהצפוי באמצעות טלסקופים כמו טלסקופ ווב. אם הם מוצאים רק חלשים, אז כמה מהרעיונות שלהם לגבי חומר אפל עשויים להיות שגויים.
חיבור של החמישייה של סטפן, קיבוץ חזותי של חמש גלקסיות, שנבנה מכמעט 1,000 קבצי תמונה נפרדים מטלסקופ החלל ג'יימס ווב. אסטרופיזיקאים של UCLA מאמינים שאם תיאוריות החומר האפל הקר נכונות, טלסקופ ווב אמור למצוא גלקסיות זעירות ובהירות של היקום המוקדם. קרדיט: NASA, ESA, CSA, STScI
הטבע החמקמק של החומר האפל
חומר אפל הוא סוג של חומר היפותטי שאינו יוצר אינטראקציה עם אלקטרומגנטיות או אור. לפיכך, אי אפשר לצפות באמצעות אופטיקה, חשמל או מגנטיות. אבל החומר האפל אכן מקיים אינטראקציה עם כוח הכבידה, ונוכחותו הוסקה מהשפעות הכבידה שיש לו על החומר הרגיל – החומר המרכיב את כל היקום הנצפה. למרות ש-84% מהחומר ביקום נחשב עשוי מחומר אפל, הוא מעולם לא זוהה ישירות.
כל הגלקסיות מוקפות בהילה עצומה של חומר אפל, ומדענים חושבים שחומר אפל היה חיוני להיווצרותן. "המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי" שהאסטרופיזיקאים משתמשים בהם כדי להבין את היווצרות הגלקסיות מתאר כיצד גושים של חומר אפל ביקום המוקדם מאוד משכו חומר רגיל באמצעות כוח הכבידה, וגרמו להיווצרות כוכבים וליצירת הגלקסיות שאנו רואים כיום. מכיוון שרוב חלקיקי החומר האפל – הנקראים חומר אפל קר – נחשבים לנוע הרבה יותר לאט ממהירות האור, תהליך הצטברות זה היה מתרחש בהדרגה.
התקדמות תיאורטית בהבנת היווצרות גלקסיה
אבל לפני למעלה מ-13 מיליארד שנים, לפני היווצרות הגלקסיות הראשונות, חומר רגיל, המורכב מגז מימן והליום מהמפץ הגדול, וחומר אפל נעו זה ביחס לזה. הגז זרם במהירויות על-קוליות על פני סבך צפוף של חומר אפל שנע באיטיות יותר, שהיה צריך למשוך אותו פנימה כדי ליצור גלקסיות.
"אכן, במודלים שלא לוקחים בחשבון סטרימינג, זה בדיוק מה שקורה", אמרה קלייר וויליאמס, דוקטורנטית ב-UCLA והכותבת הראשונה של המאמר. "הגז נמשך למשיכת הכבידה של החומר האפל, יוצר גושים וקשרים כה צפופים עד שיכול להתרחש היתוך מימן, וכך נוצר כוכבים כמו השמש שלנו."
אבל וויליאמס ומחברים שותפים בצוות פרויקט Supersonic, קבוצה של אסטרופיזיקאים מארצות הברית, איטליה ויפן בראשות הפרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה של UCLA סמדר נאוז, גילו אם הם הוסיפו את אפקט הזרימה של מהירויות שונות בין חומר אפל לחומר רגיל. לסימולציות, הגז נחת הרחק מהחומר האפל ונמנע ממנו ליצור כוכבים מיד. כאשר הגז המצטבר נפל בחזרה לגלקסיה מיליוני שנים מאוחר יותר, פרץ מסיבי של היווצרות כוכבים התרחש בבת אחת. מכיוון שלגלקסיות אלה היו הרבה יותר כוכבים צעירים, חמים ומוארים מגלקסיות קטנות רגילות במשך זמן מה, הן זרחו הרבה יותר בבהירות.
"בעוד שהזרימה דיכאה את היווצרות הכוכבים בגלקסיות הקטנות ביותר, היא גם הגבירה את היווצרות הכוכבים בגלקסיות ננסיות, וגרמה להן להתעלות על הכתמים הלא זורמים של היקום", אמר וויליאמס. "אנו צופים שטלסקופ ווב יוכל למצוא אזורים ביקום שבהם הגלקסיות יהיו בהירות יותר, מוגברות על ידי מהירות זו. העובדה שהם צריכים להיות כה בהירים עשויה להקל על הטלסקופ לגלות את הגלקסיות הקטנות הללו, שבדרך כלל קשה מאוד לזהות רק 375 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול".
מכיוון שחומר אפל בלתי אפשרי לחקור ישירות, חיפוש אחר כתמים בהירים של גלקסיות ביקום המוקדם יכול להציע מבחן יעיל לתיאוריות על חומר אפל, שהיה חסר פרי עד כה.
"הגילוי של כתמים של גלקסיות קטנות ובהירות ביקום המוקדם יאשר שאנחנו בדרך הנכונה עם מודל החומר האפל הקר מכיוון שרק המהירות בין שני סוגי חומר יכולה לייצר את סוג הגלקסיה שאנו מחפשים, "אמרה נאוז, הפרופסור לאסטרופיזיקה מהאוורד ואסטריד פרסטון. "אם החומר האפל אינו מתנהג כמו חומר אפל קר סטנדרטי ואפקט הזרימה אינו קיים, אז הגלקסיות הננסיות הבהירות הללו לא יימצאו ואנחנו צריכים לחזור ללוח השרטוטים."
המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע ו נאס"א.
