V navadni vidni svetlobi ta grozd galaksije ne izgleda veliko. Večji so grozdi z večjimi in bolj dramatično videti galaksije. Toda na tej sliki je več kot galaksij, tudi pri vidni svetlobi. Gravitacija grozda povečuje in izkrivlja svetlobo, ki prehaja v bližini, in preslikava tega izkrivljanja razkriva nekaj o snovi, ki je običajno skrita pred nami: temna snov.
Ta zbirka galaksij se imenuje "Bullet Gluster", temno snov v njej pa je bilo zaznano z metodo, imenovano "šibka gravitacijska leča." S sledenjem izkrivljanjem svetlobe, ko gre skozi grozd, lahko astronomi ustvarijo neke vrste topografske zemljevid mase v grozdu, kjer so »hribi« mesta močne gravitacije in »doline« mesta šibke gravitacije. Razlog za temno snov - skrivnostno snov, ki sestavlja večino mase v vesolju - je tako težko proučiti, ker ne oddaja in ne absorbira svetlobe. Vendar ima težo in se tako prikazuje na topografskem zemljevidu te vrste.
Bullet grozd je eno najboljših krajev za opazovanje učinkov temne snovi, vendar je le en predmet. Večina resnične moči šibkega gravitacijskega leče vključuje gledanje na tisoče ali milijone galaksij, ki pokrivajo velike obliže neba.
Za to potrebujemo velike teleskope, ki so sposobni podrobno preslikati vesolje. Eden takšnih je Veliki sinoptični raziskovalni teleskop (LSST), ki se gradi v Čilu in bi moral začeti z delovanjem leta 2022 in trajati do leta 2032. Gre za ambiciozen projekt, ki bo na koncu ustvaril topografsko karto vesolja.
"[LSST] bo v desetletnem obdobju opazoval približno polovico neba, " pravi namestnica direktorja LSST Beth Willman. Opazovalnica ima "širok razpon znanstvenih ciljev, od temne energije in šibkega (gravitacijskega) leče, do preučevanja osončja, do preučevanja Mlečne poti, do preučevanja spreminjanja nočnega neba s časom."
Umetnikovo upodabljanje Velikega sinoptičnega anketnega teleskopa, ki se trenutno gradi v Čilu (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Za proučevanje strukture vesolja astronomi uporabljajo dve osnovni strategiji: poglobitev in širitev. Vesoljski teleskop Hubble na primer dobro napreduje v globino: njegova zasnova omogoča iskanje nekaterih najlepših galaksij v kozmosu. LSST bo po drugi strani šel na široko.
"Velikost teleskopa sama po sebi ni izjemna, " pravi Willman. LSST bo premera 27 čevljev, kar ga uvršča v srednji razpon obstoječih teleskopov. "Edinstven del instrumentacije LSST je vidno polje [njegove] kamere, ki bo nameščena nanjo, kar je približno 40-krat večja od polne lune." Nasprotno pa je običajni teleskop enake velikosti, kot bi ga imel LSST si oglejte obliž neba, manjši od ene četrtine lune.
Z drugimi besedami, LSST bo združil vrsto velike slike neba, ki bi jo dobili z običajnim digitalnim fotoaparatom, z globino vida, ki jo zagotavlja velik teleskop. Kombinacija bo dih jemala, vse pa je posledica edinstvene zasnove teleskopa.
LSST bo uporabljal tri velika ogledala, kjer večina drugih velikih teleskopov uporablja dva ogledala. (Nemogoče je narediti leče tako velike, kot jih potrebujejo astronomi, zato večina opazovalnic uporablja ogledala, ki jih je tehnično mogoče vgraditi v poljubno velikost.) Ta ogledala so zasnovana tako, da čim več svetlobe usmerijo v kamero, kar bo dobrih 63 centimetrov čez 3, 2 milijarde slikovnih pik.
Willman pravi: "Ko bo sestavljen in razporejen na nebo, bo to največja kamera, ki se uporablja za astronomska optična opazovanja."
Medtem ko so navadne kamere zasnovane tako, da ponovno ustvarijo barve in raven svetlobe, ki jih človeško oko zazna, bo kamera LSST "videla" pet barv. Nekatere od teh barv se prekrivajo s tistimi, ki jih vidijo mrežnice v naših očeh, vendar vključujejo tudi svetlobo v infrardečem in ultravijoličnem delu spektra.
Po velikem udaru je bilo v vesolju vroča zmešnjava delcev. Kmalu se je ta treseta ohladila in razširila do točke, ko so delci lahko začeli privlačiti drug drugega in se zlepili skupaj, da tvorijo prve zvezde in galaksije in tvorijo ogromno kozmično mrežo. Ta stičišča so prerasla v velike galaksijske grozde, povezane z dolgimi tankimi nitkami in ločene z večinoma praznimi prazninami. Vsaj tako najraje ugibamo, v skladu z računalniškimi simulacijami, ki kažejo, kako naj se temna snov zlije pod gravitacijo.
Slabo gravitacijsko lečo se izkaže za zelo dober način za testiranje teh simulacij. Albert Einstein je matematično pokazal, da gravitacija vpliva na pot svetlobe in jo rahlo izvleče iz gibanja ravno. Leta 1919 je britanski astronom Arthur Eddington in njegovi sodelavci uspešno izmeril ta učinek v tem, kar je bilo prvo veliko zmagoslavje Einsteinove teorije splošne relativnosti.
Količina svetlobnih krivin je odvisna od jakosti gravitacijskega polja, na katero naleti, ki ga določajo masa, velikost in oblika vira. V kozmičnem smislu je sonce majhno in majhno, zato svetlobo potisne le za majhno količino. Toda galaksije imajo milijarde in milijarde zvezd in galaksije, kot je Bullet Bullet, sestavljajo stotine ali tisoče galaksij, skupaj z veliko vroče plazme in dodatne temne snovi, ki jih vse drži skupaj, kumulativni vpliv na svetlobo pa je lahko zelo pomemben. (Zabavno dejstvo: Einstein ni mislil, da bo leče dejansko koristno, saj je razmišljal le o zvezdah in ne o galaksijah.)
Zemljevid temne snovi, ki so ga ustvarili japonski astronomi s šibkim objektivom (Satoshi Miyazaki in dr.) Močno gravitacijsko lečo proizvajajo zelo masivni predmeti, ki zasedejo razmeroma malo prostora; predmet z enako maso, vendar razporejen po večjem volumnu, bo še vedno odbijal svetlobo, vendar ne tako močno. To je šibka gravitacijska leča - ki jo običajno imenujemo "šibka leča" - v bistvu.
Vsako smer, ki jo pogledate v vesolje, vidite veliko galaksij. Najbolj oddaljene galaksije so morda preveč nejasne, vendar nekatere njihove svetlobe še vedno pregledujemo kot ozadje. Ko ta svetloba doseže bližje galaksije ali galaksije na poti proti Zemlji, bo šibka leča ta svetloba postala nekoliko svetlejša. To je majhen učinek (zato nenazadnje rečemo "šibek"), vendar ga astronomi lahko uporabijo za preslikavo mase v vesolju.
100 milijard galaksij v opazovanem vesolju ponuja veliko priložnosti za šibke leče, in tam prihajajo opazovalnice, kot je LSST. Za razliko od večine drugih opazovalnic bo LSST pregledal velike zaplate neba v določenem vzorcu, namesto da bi pustil posameznike astronomi narekujejo, kam kaže teleskop. Na ta način spominja na Sloan Digital Sky Survey (SDSS), pionirski observatorij, ki je astronomom že skoraj 20 let.
Glavni cilj projektov, kot sta SDSS in LSST, je popis galaktičnega prebivalstva. Koliko galaksij je tam in kako velike so? Ali so naključno raztreseni po nebu ali spadajo v vzorce? Ali so navidezne praznine resnične - torej mesta z malo galaksijami ali jih sploh nimajo?
Število in razporeditev galaksij daje podatke o največjih kozmičnih skrivnostih. Na primer, iste računalniške simulacije, ki opisujejo kozmični splet, nam navajajo, da bi morali videti več majhnih galaksij, kot se kažejo v naših teleskopih, šibke leče pa nam lahko pomagajo, da jih najdemo.
Poleg tega so preslikave galaksij eno vodilo za temno energijo, ime, ki ga poimenujemo pospešujoče širjenje vesolja. Če je temna energija ves čas konstantna ali če ima različne moči v različnih krajih in časih, bi moral kozmični splet to odražati. Z drugimi besedami, topografska karta iz šibke leče nam lahko pomaga odgovoriti na eno največjih vprašanj od vseh: le kaj je temna energija?
Končno nam lahko šibke leče pomagajo pri delcih z najmanjšo maso, ki jih poznamo: nevtrini. Ti hitro premikajoči se delci se v obliki galaksije ne držijo, ampak odnašajo energijo in maso, ko gredo. Če odvzamejo preveč, galaksije ne postanejo tako velike, zato bi nam lahko šibke lečne raziskave pomagale ugotoviti, koliko masnih nevtrinov ima.
Tako kot SDSS bo tudi LSST svoje podatke objavil astronomom, ne glede na to, ali so člani sodelovanja, in vsem zainteresiranim znanstvenikom omogočil, da jih uporabijo v svojih raziskavah.
"Delo s teleskopom v anketnem načinu in nato vstavitev teh obsežnih kalibriranih podatkovnih izdelkov v celotno znanstveno skupnost se bosta res združila, da bo LSST postal najbolj produktiven objekt v zgodovini astronomije, " pravi Willman. "To je vsekakor namenjena."
Moč astronomije uporablja zanimive ideje - tudi tiste, za katere smo nekoč mislili, da ne bodo uporabne - na nepričakovane načine. Šibke leče nam omogočajo posredno gledanje nevidnih ali zelo drobnih stvari. Za nekaj, kar imenujemo "šibko", je šibka leča močan zaveznik pri iskanju vesolja.
