Ketika sampai pada galaksi pertama, Teleskop Luar Angkasa James Webb akan berusaha memahami pembentukan galaksi-galaksi tersebut dan kaitannya dengan materi gelap yang mendasarinya. Jadi dengan mempelajari galaksi - dan terutama formasinya - kita bisa mendapatkan beberapa petunjuk tentang bagaimana materi gelap bekerja. Setidaknya, itulah harapannya. Ternyata astronomi sedikit lebih rumit dari itu, dan salah satu hal utama yang harus kita tangani saat mempelajari galaksi jauh ini adalah debu. Banyak debu.
Itu benar: debu kuno yang bagus. Dan berkat beberapa simulasi mewah, kami mulai menjernihkan gambar.
Jadilah Terang
Galaksi pertama kali mulai terbentuk cukup lama, hanya beberapa ratus juta tahun dalam sejarah alam semesta kita. Namun sejauh ini kami tidak memiliki gambar langsung dari galaksi-galaksi pertama itu. Mereka terlalu jauh untuk cahaya mereka untuk mencapai kita tanpa teleskop besar. Terlebih lagi, karena mereka begitu jauh dan alam semesta telah mengembang sejak cahaya mereka dipancarkan, mereka tidak bersinar dalam cahaya yang terlihat lagi. Cahaya mereka telah redshifted ke spektrum inframerah. Jadi untuk memiliki kesempatan sama sekali dalam memetakan galaksi-galaksi bayi ini kita membutuhkan teleskop inframerah besar. Masukkan James Webb.
James Webb bukan instrumen survei; itu tidak akan memetakan volume alam semesta yang sangat besar. Tapi itu pasti akan memberi kita beberapa potret tentang seperti apa alam semesta lebih dari 13 miliar tahun yang lalu, dan terutama seperti apa galaksi-galaksi muda itu. Dan struktur dan komposisi galaksi-galaksi itu bergantung pada materi gelap yang mendasarinya. Segala sesuatu dari jumlah materi gelap, apa yang sebenarnya terbuat dari apa, dan bagaimana ia memutuskan untuk bergabung bersama-sama semua mempengaruhi pembentukan galaksi. Sifat-sifat materi gelap ini (saat ini tidak diketahui) mengubah berapa banyak galaksi yang ada, seberapa terang mereka, dan bahkan bintang seperti apa yang mereka inangi.
Namun, hubungan antara galaksi dan materi gelap ini benar-benar hanya dipahami dalam simulasi. Itu karena kami tidak memiliki banyak pengamatan langsung terhadap materi gelap (seolah-olah namanya sendiri tidak memberi Anda petunjuk). Singkatnya, kami tidak sepenuhnya memahami apa itu materi gelap. Jadi kadang-kadang kita harus menebak, dan kita menempatkan tebakan ini di dalam simulasi komputer tentang pertumbuhan alam semesta, dan kita melihat bagaimana materi normal seperti bintang dan gas dan debu bereaksi terhadap itu dan membentuk galaksi.
Biarkan Debu
Jadi dengan membandingkan gambar aktual dan statistik galaksi yang diungkapkan oleh James Webb dengan berbagai simulasi kami, kami berharap dapat menemukan yang paling cocok dan memilih model materi gelap mana yang paling akurat. Dari sana kita bisa belajar lebih banyak tentang alam semesta, seperti berburu model gravitasi eksotis atau bahkan mendapatkan petunjuk tentang sifat misterius energi gelap (yang merupakan artikel yang sepenuhnya terpisah).
Ini kedengarannya mudah tetapi tidak. Pengamatan di alam semesta sangat berantakan dan rumit dan umumnya sangat sulit, karena ada lebih banyak hal di alam semesta kita selain bintang dan galaksi serta materi gelap dan James Webb Space Telescope.
Ada juga debu. Banyak sekali.
Debu terbuat dari rangkaian karbon dan oksigen dan banyak lagi, berputar dan berputar di dalam galaksi, di sekitar galaksi, dan di antara galaksi. Ternyata ruang intergalaksi adalah tempat yang cukup berantakan. Hanya ada debu. Dan debu mengacaukan cahaya.
Ketika cahaya dari galaksi-galaksi jauh melewati miliaran demi tahun cahaya untuk mencapai James Webb, ia memotong banyak debu. Debu itu akan menyebarkannya, melemahkannya, dan juga menggesernya. Dengan kata lain, jika kita mencoba memahami seperti apa galaksi-galaksi muda ini, kita hanya dapat melihat galaksi-galaksi ini melalui kabut yang kabur. Jadi kita tidak memiliki - dan tidak akan pernah mendapatkan - gambar yang jelas langsung dari alam semesta awal.
Sekali lagi, simulasi untuk penyelamatan.
Contoh Ilustrasi
Tapi kali ini simulasi mendapat bantuan tambahan. Mereka memiliki data nyata untuk dikerjakan. Bukan data dari alam semesta awal (karena kita belum memilikinya) tetapi data dari alam semesta terdekat. Kami telah membangun peta dan pengamatan dan mempelajari sampai sejauh mana sifat-sifat debu di antara galaksi di bidang kosmos lokal kami. Data-data ini kemudian dimasukkan ke dalam simulasi alam semesta awal untuk mencoba membuat prediksi seakurat mungkin dari apa yang akan dilihat oleh James Webb.
Ini seperti mengambil sampel kabut di sekitar Anda untuk mencoba memahami seperti apa mercusuar yang sebenarnya.
Baru-baru ini tim peneliti menerbitkan hasil dari serangkaian simulasi yang disebut Illustris. Seperti namanya, simulasi ini sangat canggih, tidak hanya melibatkan materi gelap dan pembentukan galaksi, tetapi bahkan mensimulasikan cahaya yang dipancarkan dari galaksi ini saat melewati miliaran tahun cahaya debu dan menjadi sesuatu seperti James Webb.
Tujuan utama dari simulasi ini adalah untuk memprediksi apa yang akan dilihat James Webb dalam apa yang oleh para astronom disebut fungsi luminositas galaksi. Itu hanya cara mewah untuk mengatakan berapa banyak galaksi dari setiap tingkat kecerahan akan terlihat: berapa banyak yang benar-benar cerah, berapa banyak yang sedang-terang, berapa banyak yang redup, dan sebagainya. Fungsi luminositas galaksi dipengaruhi oleh sifat-sifat materi gelap: misalnya, jika materi gelap terasa sangat rumpun, maka alam semesta kita akan memiliki galaksi yang lebih terang dan ini akan menggeser fungsi luminositas ini.
Tetapi fungsi luminositas itu sendiri juga dipengaruhi oleh debu, karena debu mengubah semua cahaya yang dipancarkan dari semua galaksi. Simulasi ini adalah beberapa upaya pertama untuk memberikan gambar ujung ke ujung yang menghubungkan apa yang akan dilihat oleh James Webb (dengan kata lain, apa sebenarnya data itu) dengan fisika yang mendasari materi gelap dan pembentukan galaksi.
Tentu saja ini hanya langkah pertama; simulasi ini melibatkan banyak asumsi dan tebakan terbaik berdasarkan pengamatan saat ini. Tapi saya yakin pada saat James Webb benar-benar terbang, kita akan memiliki lebih banyak data dan lebih banyak simulasi di bawah ikat pinggang kita.
Baca selengkapnya: "Prediksi JWST pergeseran merah tinggi dari IllustrisTNG: Pemodelan debu dan fungsi luminositas galaksi"
