En ce qui concerne les premières galaxies, le télescope spatial James Webb tentera de comprendre la formation de ces galaxies et leur lien avec la matière noire sous-jacente. Ainsi, en étudiant les galaxies - et en particulier leur formation - nous pouvons obtenir des indices sur le fonctionnement de la matière noire. C'est du moins l'espoir. Il s'avère que l'astronomie est un peu plus compliquée que cela, et l'une des principales choses que nous devons traiter lors de l'étude de ces galaxies lointaines est la poussière. Beaucoup de poussière.
C'est vrai: de la bonne vieille poussière. Et grâce à quelques simulations fantaisistes, nous commençons à clarifier l'image.
Que la lumière soit
Les galaxies ont commencé à se former il y a très longtemps, à peine quelques centaines de millions d'années dans l'histoire de notre univers. Mais jusqu'à présent, nous n'avons aucune image directe de ces premières galaxies. Ils sont tout simplement trop loin pour que leur lumière nous atteigne sans un télescope massif. De plus, comme ils sont si éloignés et que l’univers s’est élargi depuis l’émission de leur lumière, ils ne brillent plus dans la lumière visible. Leur lumière a été décalée vers le bas dans le spectre infrarouge. Donc, pour avoir la moindre chance de cartographier ces galaxies infantiles, nous avons besoin d'un grand télescope infrarouge. Entrez dans le James Webb.
Le James Webb n'est pas un instrument d'enquête; il ne cartographiera pas un volume incroyablement grand de l'univers. Mais cela nous donnera certainement quelques portraits de ce à quoi ressemblait l'univers il y a plus de 13 milliards d'années, et surtout à quoi ressemblaient ces jeunes galaxies. Et la structure et la composition de ces galaxies dépendent de la matière noire sous-jacente. Tout, de la quantité de matière noire, de sa composition exacte et de la façon dont elle décide de se regrouper, affecte la formation des galaxies. Ces propriétés (actuellement inconnues) de la matière noire changent le nombre de galaxies, leur luminosité et même le type d'étoiles qu'elles hébergent.
Cependant, cette connexion entre les galaxies et la matière noire n'est vraiment comprise que dans les simulations. C'est parce que nous n'avons pas beaucoup d'observations directes de la matière noire (comme si le nom lui-même ne vous donnait aucun indice). En bref, nous ne comprenons pas complètement ce qu'est la matière noire. Donc, parfois, nous devons deviner, et nous mettons ces suppositions à l'intérieur d'une simulation informatique de la croissance de l'univers, et nous voyons comment la matière normale comme les étoiles, le gaz et la poussière réagissent à cela et forment des galaxies.
Qu'il y ait de la poussière
Donc, en comparant les images réelles et les statistiques des galaxies révélées par le James Webb à nos différentes simulations, nous pouvons, espérons-le, trouver la meilleure correspondance et choisir le modèle de matière noire le plus précis. De là, nous pouvons en apprendre encore plus sur l'univers, comme chasser des modèles de gravité exotiques ou même obtenir un indice sur la nature mystérieuse de l'énergie sombre (qui est un article entièrement séparé).
Cela semble simple, mais ce n’est pas le cas. Les observations dans l'univers sont très compliquées et compliquées et généralement très dures, car il y a beaucoup plus dans notre univers que les étoiles et les galaxies et la matière noire et le télescope spatial James Webb.
Il y a aussi de la poussière. Beaucoup.
La poussière est constituée de chaînes de carbone et d'oxygène et plus encore, tourbillonnant et tourbillonnant à l'intérieur des galaxies, autour des galaxies et entre les galaxies. Il s'avère que l'espace intergalactique est un endroit assez désordonné. Il n'y a que de la poussière. Et la poussière gâche la lumière.
Alors que la lumière de ces galaxies lointaines traverse des milliards et des milliards d'années-lumière pour atteindre le James Webb, elle croise beaucoup de poussière. Cette poussière la dispersera, l'affaiblira et la changera également de rouge. En d'autres termes, si nous essayons de comprendre à quoi ressemblent ces jeunes galaxies, nous ne pouvons voir ces galaxies qu'à travers un brouillard brumeux. Nous n'avons donc pas - et n'obtiendrons jamais - d'images claires et directes de l'univers primitif.
Encore une fois, des simulations à la rescousse.
Un exemple illustratif
Mais cette fois, les simulations ont une aide supplémentaire. Ils ont de vraies données en direct avec lesquelles travailler. Pas des données de l'univers primitif (parce que nous n'en avons pas encore) mais des données de l'univers proche. Nous avons construit des cartes et des observations et étudié de façon ridicule les propriétés de la poussière entre les galaxies dans notre parcelle locale du cosmos. Ces données sont ensuite connectées aux simulations du premier univers pour essayer de faire des prévisions aussi précises que possible de ce que James Webb verra réellement.
C'est comme prélever des échantillons de brouillard autour de vous pour essayer de comprendre à quoi ressemble un phare lointain.
Récemment, une équipe de chercheurs a publié les résultats d'une suite de simulations appelées Illustris. Comme son nom l'indique, ces simulations sont incroyablement sophistiquées, impliquant non seulement la matière noire et la formation de galaxies, mais simulant même la lumière émise par ces galaxies lorsqu'elle traverse des milliards d'années-lumière de poussière et quelque chose comme le James Webb.
L'objectif principal des simulations était de prédire ce que James Webb verra dans ce que les astronomes appellent la fonction de luminosité de la galaxie. C'est juste une façon élégante de dire combien de galaxies de chaque niveau de luminosité seront vues: combien de vraiment brillantes, combien de moyennement brillantes, combien de faibles, etc. La fonction de luminosité de la galaxie est influencée par les propriétés de la matière noire: par exemple, si la matière noire se sent particulièrement grumeleuse, alors notre univers aura des galaxies plus lumineuses et cela modifiera cette fonction de luminosité.
Mais la fonction de luminosité elle-même est également influencée par la poussière, car la poussière modifie toute la lumière émise par toutes les galaxies. Ces simulations sont quelques-unes des premières tentatives pour fournir une image de bout en bout reliant ce que James Webb verra (en d'autres termes, ce que seront réellement les données) à la physique sous-jacente de la matière noire et de la formation des galaxies.
Bien sûr, ce n'est que la première étape; ces simulations impliquent beaucoup d'hypothèses et de meilleures hypothèses basées sur les observations actuelles. Mais je suis sûr qu'au moment où le James Webb vole réellement, nous aurons beaucoup plus de données et beaucoup plus de simulations à notre actif.
Lire la suite: «Prédictions JWST à redshift élevé d'IllustrisTNG: modélisation de la poussière et fonctions de luminosité de la galaxie»
