Учёным уже известно, что ультрафиолетовая яркость галактик малой массы может предоставить ключевую информацию о формировании и развитии Вселенной. Использование древнего ультрафиолетового излучения раскрывает новые горизонты в проверке ведущей теории космологии. Учёные изучают процессы формирования и эволюции галактик в ранней Вселенной с целью проверить прогнозы, вытекающие из космологических моделей. Недавние исследования показали, что ультрафиолетовая яркость низкомассовых галактик всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва может стать инструментом, позволяющим выявлять различия между разными космологическими моделями.
Ведущая теория космологии, известная как ΛCDM, описывает Вселенную, где видимая или барионная материя составляет всего лишь 15% от общей массы вещества. Оставшиеся 85% — это таинственная тёмная материя, сущность которой до сих пор остается неизвестной. Тёмная материя, хотя и не оказывает существенного влияния на нашу повседневную жизнь, играла ключевую роль в ранней эволюции Вселенной, определяя условия и механизмы формирования галактик с различными массами.
Понимание взаимодействия тёмной материи и барионного вещества в ранней Вселенной может быть важным фактором для проверки космологических моделей. Согласно ΛCDM, в самом начале Вселенной, вскоре после формирования протонов и электронов в атомы, существовали регионы, где нормальная материя двигалась со сверхзвуковой скоростью относительно тёмной материи. Это относительное движение оказало значительное влияние на процесс формирования первых звёзд и галактик, возможно имея измеримые последствия для галактик в современной Вселенной.
Учёные, во главе с Клэр Уильямс из Университета Калифорнии, предприняли попытку понять влияние сверхзвукового движения на формирование галактик низкой массы. С помощью высокоразрешающих моделирований многофазной динамики, команда Уильямс смоделировала эволюцию галактик с разными красными смещениями от 200 до 12. Это означает, что исследователи учли процессы формирования галактик в разных временных точках истории Вселенной. Такой широкий диапазон красных смещений позволяет охватить разные эпохи развития Вселенной. Например, при красном смещении 200 речь идёт о самых далёких и ранних галактиках, образовавшихся вскоре после Большого взрыва. В то же время, при красном смещении 12 в выборке уже достаточно близкие и относительно более «современные» галактики. Это позволяет учёным оценить влияние сверхзвукового движения на формирование и эволюцию галактик на разных этапах истории Вселенной.
Исследователи учли процессы охлаждения и конденсации молекулярных облаков, зажигание первых звёзд и формирование галактик и звёздных скоплений. Результаты исследования показали, что когда барионная и тёмная материя двигались относительно друг друга со сверхзвуковыми скоростями, образование галактик низкой массы затруднялось. Массы галактик, составляющие менее 3 миллионов солнечных масс, формировались в десять раз меньшем количестве при наличии разницы в скоростях. Большие галактики, в свою очередь, формировались независимо от этой разницы.
Для понимания связи между формированием галактик и их ультрафиолетовой яркостью, учёные обратили внимание на функцию ультрафиолетовой яркости, которая определяет количество галактик с определенной ультрафиолетовой яркостью. Оказалось, что различия в скоростях влияют на эту функцию при красном смещении 12. В областях без сверхзвукового потока маленькие галактики и звездные скопления быстро формировались и начинали звездообразование.
Однако в регионах со сверхзвуковым потоком маленькие галактики встречались редко, а газ, который должен был помочь в их формировании, вместо этого стимулировал звездообразование в более массивных галактиках. В результате функция ультрафиолетовой яркости была ниже для самых маленьких и тусклых галактик, но увеличивалась для слабых галактик с немного большей яркостью при красном смещении 12.
Для изучения ультрафиолетовой яркости галактик в древнем прошлом современные телескопы, такие как James Webb Space Telescope (JWST), предоставляют уникальные возможности. JWST способен измерять ультрафиолетовую яркость галактик на инфракрасных длинах волн. Это открывает широкие возможности в исследовании космологии ранней Вселенной и сопоставлении данных с различными моделями.
Применение ультрафиолетового излучения для проверки космологических моделей расширяет понимание о формировании и эволюции Вселенной.