I almindeligt synligt lys ser denne galakse klynge ikke meget ud. Der er større klynger med større og mere dramatisk udseende galakser i dem. Men der er mere ved dette billede end galakser, selv i synligt lys. Tyngdekraften fra klyngen forstørrer og forvrænger lys, der passerer tæt på det, og kortlægning af denne forvrængning afslører noget ved et stof, der normalt er skjult for os: mørk stof.
Denne samling af galakser kaldes berømt ”Bullet Cluster”, og det mørke stof inde i det blev opdaget ved hjælp af en metode kaldet "svag gravitationslinsering." Ved at spore forvrængninger i lys, når den passerer gennem klyngen, kan astronomer skabe en slags topografisk kort over massen i klyngen, hvor "bakkerne" er steder med stærk tyngdekraft, og "dale" er steder med svag tyngdekraft. Årsagen til mørk materie - det mystiske stof, der udgør det meste af massen i universet - er så svært at studere, er fordi det ikke udsender eller absorberer lys. Men den har tyngdekraft, og dermed vises den på et topografisk kort af denne art.
Bullet Cluster er et af de bedste steder at se virkningerne af mørkt stof, men det er kun et objekt. Meget af den virkelige magt ved svag gravitationslinsering involverer at se på tusinder eller millioner af galakser, der dækker store pletter af himlen.
For at gøre det har vi brug for store teleskoper, der er i stand til at kortlægge kosmos i detaljer. Et af disse er Large Synoptic Survey Telescope (LSST), som er under opførelse i Chile og bør begynde operationer i 2022 og køre indtil 2032. Det er et ambitiøst projekt, der i sidste ende skaber et topografisk kort over universet.
”[LSST] vil observere omtrent halvdelen af himlen over en ti-årig periode, ” siger LSST-vicechef Beth Willman. Observatoriet har "en bred vifte af videnskabelige mål, fra mørk energi og svag [gravitations] linse, til at studere solsystemet, til at studere Mælkevejen, til at studere, hvordan nattehimlen ændrer sig med tiden."
Kunstnerens gengivelse af det telekop med stor synoptisk undersøgelse, der i øjeblikket er under opførelse i Chile (Michael Mullen Design, LSST Corporation) For at studere universets struktur anvender astronomer to grundlæggende strategier: at gå dybt og gå bredt. For eksempel er Hubble-rumteleskopet godt til at gå dybt: Dets design lader det se efter nogle af de svageste galakser i kosmos. LSST på den anden side går bredt.
”Størrelsen på selve teleskopet er ikke bemærkelsesværdig, ” siger Willman. LSST vil være 27 fod i diameter, hvilket sætter det i mellemområdet for eksisterende teleskoper. ”Den unikke del af LSSTs instrumentering er synsfeltet til [dets] kamera, der vil blive lagt på det, hvilket er omtrent 40 gange fuldmåns størrelse.” I modsætning hertil ville et normalt teleskop i samme størrelse som LSST se en plaster af himlen mindre end en fjerdedel af månens størrelse.
Med andre ord, LSST vil kombinere den slags storbillede af himlen, du får ved hjælp af et normalt digitalt kamera, med dybdesynet fra et stort teleskop. Kombinationen vil være betagende, og det hele skyldes teleskopets unikke design.
LSST vil anvende tre store spejle, hvor de fleste andre store teleskoper bruger to spejle. (Det er umuligt at fremstille linser så store, som astronomer har brug for, så de fleste observatorier bruger spejle, som teknisk set kan bygges i enhver størrelse.) Disse spejle er designet til at fokusere så meget lys som muligt på kameraet, hvilket vil være en enorm 63 tommer på tværs af, med 3, 2 milliarder pixels.
Willman siger, "Når det først er sat sammen og indsat på himlen, vil det være det største kamera, der bruges til astronomiske optiske observationer."
Mens almindelige kameraer er designet til at genskabe de farver og lysniveauer, der kan opfattes af det menneskelige øje, vil LSSTs kamera "se" fem farver. Nogle af disse farver overlapper dem, der ses af nethindecellerne i vores øjne, men de inkluderer også lys i den infrarøde og ultraviolette del af spektret.
Efter Big Bang var universet et varmt rod - af partikler. Snart afkøles den kvagmyr og udvidede sig til det punkt, hvor partiklerne kunne begynde at tiltrække hinanden, klæbe sammen for at danne de første stjerner og galakser og danne en enorm kosmisk bane. Krydserne voksede ud til store galakse klynger, forbundet med lange tynde filamenter, og adskilt af for det meste tomme tomrum. I det mindste er det vores bedste gæt, ifølge computersimuleringer, der viser, hvordan mørkt stof skal klumpe sig sammen under tyngdekraften.
Svag gravitationslinse viser sig at være en rigtig god måde at teste disse simuleringer på. Albert Einstein viste matematisk, at tyngdekraften påvirker lysbanen og trækker den lidt ud af sin lige bevægelse. I 1919 målte den britiske astronom Arthur Eddington og hans kolleger denne effekt med succes, i hvad der var den første store triumf for Einsteins teori om generel relativitet.
Mængden af lys bøjer afhænger af styrken på det tyngdefelt, det støder på, som styres af kildens masse, størrelse og form. I kosmiske termer er solen lille og lav i masse, så den skubber lys kun med en lille mængde. Men galakser har milliarder og milliarder af stjerner, og galakse-klynger som Bullet Cluster består af hundreder eller tusinder af galakser sammen med masser af varmt plasma og ekstra mørkt stof, der holder dem alle sammen, og den kumulative påvirkning af lys kan være ganske betydelig. (Sjov kendsgerning: Einstein troede ikke, at linser faktisk ville være nyttige, da han kun tænkte på det med hensyn til stjerner, ikke galakser.)
Et mørkt stofkort, skabt af japanske astronomer ved hjælp af svag linse (Satoshi Miyazaki, et al.) Stærk gravitationslinsering produceres af meget massive genstande, der optager relativt lidt plads; et objekt med den samme masse, men spredt ud over et større volumen, vil stadig aflede lys, men ikke så dramatisk. Det er svag tyngdekraftslinse - normalt bare kaldet "svag linse" - i essensen.
Hver retning, du ser i universet, ser du masser af galakser. De fjerneste galakser kan være for svage til at se, men vi ser stadig noget af deres lys filtrere igennem som baggrundslys. Når dette lys når en tættere galakse eller galakse klynge på vej til Jorden, vil svag linse gøre lyset lidt lysere. Dette er en lille effekt (det er grunden til, at vi siger ”svag”, når alt kommer til alt), men astronomer kan bruge den til at kortlægge massen i universet.
De omkring 100 milliarder galakser i det observerbare univers giver en masse muligheder for svag linse, og det er her observatorier som LSST kommer ind. I modsætning til de fleste andre observatorier vil LSST undersøge store pletter af himlen i et sæt mønster i stedet for at lade individuelle astronomer dikterer, hvor teleskopet peger. På denne måde ligner det Sloan Digital Sky Survey (SDSS), det banebrydende observatorium, der har været en velsignelse for astronomer i næsten 20 år.
Et hovedmål for projekter som SDSS og LSST er en folketælling for den galaktiske befolkning. Hvor mange galakser er derude, og hvor massive er de? Er de tilfældigt spredt over himlen, eller falder de i mønstre? Er de tilsyneladende hulrum reelle - det vil sige steder med få eller ingen galakser overhovedet?
Antallet og fordelingen af galakser giver information om de største kosmiske mysterier. For eksempel fortæller de samme computersimuleringer, der beskriver det kosmiske web, at vi burde se flere små galakser end dukke op i vores teleskoper, og svag linse kan hjælpe os med at finde dem.
Derudover er kortlægning af galakser en guide til mørk energi, det navn vi giver den accelererende udvidelse af universet. Hvis mørk energi har været konstant hele tiden, eller hvis den har forskellige styrker forskellige steder og tidspunkter, skal den kosmiske bane afspejle det. Med andre ord, det topografiske kort fra svag linse kan hjælpe os med at besvare et af de største spørgsmål af alle: hvad er mørk energi?
Endelig kunne svag linse hjælpe os med partikler med laveste masse, vi kender: neutrino. Disse hurtigt bevægende partikler klæber ikke rundt i galakser, som de dannes, men de bærer energi og masse væk, mens de går. Hvis de fjerner for meget, vokser galakser ikke sig lige så store, så svage linsevisninger kan hjælpe os med at finde ud af, hvor meget masseneutrinoer der er.
Ligesom SDSS vil LSST frigive sine data til astronomer uanset om de er medlemmer af samarbejdet, hvilket gør det muligt for enhver interesseret videnskabsmand at bruge dem i deres forskning.
”At køre teleskopet i undersøgelsestilstand og derefter få de omfattende kalibrerede dataprodukter på højt niveau ud til hele det videnskabelige samfund kommer virkelig til at kombinere for at gøre LSST til den mest produktive facilitet i astronomiens historie, ” siger Willman. ”Det er det, jeg siger alligevel efter.”
Astronomiens magt bruger interessante ideer - også dem, vi engang troede ikke ville være nyttige - på uventede måder. Svag linse giver os en indirekte måde at se usynlige eller meget små ting på. For noget kaldet ”svag” er svag linse en stærk allieret i vores søgen efter at forstå universet.
