A szokásos látható fényben ez a galaxiscsoport nem nagyon néz ki. Nagyobb klaszterek vannak, amelyekben nagyobb és drámaibb megjelenésű galaxisok vannak. De ez a kép több, mint galaxisok, még látható fényben is. A klaszterből származó gravitáció nagyítja és eltorzítja a közelben áthaladó fényt, és ennek a torzításnak a feltérképezése valami anyagot tár fel, amely általában tőlünk rejtőzik: sötét anyag.
Ezt a galaxisgyűjteményt híresen „Bullet Cluster” -nek hívják, és a benne levő sötét anyagot „gyenge gravitációs lencsének” nevezett módszerrel detektálták. A csillagászok a fürtön áthaladó fény torzulások követésével létrehozhatnak egyfajta topográfiai képet. A tömeg térképe a klaszterben, ahol a „hegyek” erősen súlyosak, a „völgyek” pedig gyenge gravitációs helyek. A sötét anyag - a titokzatos anyag, amely az univerzum tömegének legnagyobb részét képezi - okát annyira nehéz megvizsgálni, mert nem bocsát ki vagy nem absorbál fényt. De van gravitációja, és így megjelenik egy ilyen topográfiai térképen.
A Bullet Cluster az egyik legjobb hely a sötét anyag hatásainak megtekintéséhez, de ez csak egy tárgy. A gyenge gravitációs lencse valódi erejének nagy része magában foglalja az ég nagy foltjait lefedő galaxisok ezreinek vagy millióinak nézését.
Ehhez nagy távcsövekre van szükségünk, amelyek képesek a kozmosz részletes leképezésére. Az egyik ilyen a nagy szinoptikus felmérési távcső (LSST), amelyet éppen építenek Chilében, és 2022-ben kell megkezdenie működését, és 2032-ig kell futnia. Ez egy ambiciózus projekt, amely végül létrehozza az univerzum topográfiai térképét.
„Az [LSST] tíz év alatt az ég nagyjából felét fogja megfigyelni” - mondta Beth Willman, az LSST igazgatóhelyettese. A csillagvizsgáló „tudományos célok széles skálájával rendelkezik, a sötét energiától és a gyenge [gravitációs] lencsétől kezdve a Naprendszer tanulmányozásáig, a Tejút tanulmányozásáig, az éjszakai égbolt időbeli változásának vizsgálatáig”.
A jelenleg Chilében építés alatt álló nagy szinoptikus felmérésű távcső művészeinek rendezése (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Az univerzum felépítésének tanulmányozására az csillagászok két alapstratégiát alkalmaznak: mélyre megy és szélesre haladnak. Például a Hubble űrteleszkóp jó mélyre jutni: kialakítása lehetővé teszi a kozmosz legszegényebb galaxisának megkeresését. Az LSST viszont széles lesz.
"Maga a távcső mérete nem figyelemre méltó" - mondja Willman. Az LSST átmérője 27 méter, ami a meglévő távcsövek középső tartományába helyezi. „Az LSST műszerezésének egyedülálló része a rajta elhelyezett kamerájának látótere, amely nagyjából 40-szerese a telihold méretének.” Ezzel szemben egy normál teleszkóp, amely ugyanolyan méretű, mint az LSST. tekintse meg az ég foltját, amely kevesebb, mint a hold méretének egynegyede.
Más szavakkal, az LSST kombinálja az égnek olyan nagyméretű képét, amelyet normál digitális fényképezőgéppel kap, és a látótávolságot egy nagy távcső biztosítja. A kombináció lélegzetelállító lesz, és mindez a távcső egyedi kialakításának köszönhető.
Az LSST három nagy tükröt fog alkalmazni, ahol a legtöbb nagy távcső két tükröt használ. (Lehetetlen lenne olyan nagy lencséket készíteni, amire a csillagászoknak szükségük van, tehát a legtöbb obszervatórium tükröket használ, amelyek technikailag bármilyen méretűek lehetnek.) Ezeket a tükröket úgy tervezték, hogy a lehető legnagyobb mennyiségű fényt összpontosítsák a kamerára, amely 63 hüvelyk óriási lesz. egészen, 3, 2 milliárd pixeltel.
Willman azt mondja: "Ha összerakják és az égbe telepítik, akkor ez lesz a legnagyobb kamera, amelyet csillagászati optikai megfigyelésekhez használnak."
Míg a szokásos fényképezőgépeket az emberi szem által érzékelhető színek és fényszint visszaállítására tervezték, addig az LSST kamerája öt színt fog látni. Ezek közül a színek közül néhány átfedésben van azokkal, amelyeket a szemünkben a retina sejtek látnak, de a spektrum infravörös és ultraibolya részében fényt is tartalmaznak.
A nagy robbanás után az univerzum forró rendetlenség volt - részecskékből. Hamarosan ez a tükör hűtött és kiterjedt arra a pontra, ahol a részecskék elkezdhetik vonzani egymást, összetapadva képezhetik az első csillagokat és galaxisokat, és hatalmas kozmikus hálót képezhetnek. Ennek csomópontjai nagy galaxisfürtökké nőttek, amelyeket hosszú, vékony szálak kötik össze, és amelyeket általában üres üregek választanak el. Legalább ez a legjobb feltételezésünk olyan számítógépes szimulációk szerint, amelyek megmutatják, hogy a sötét anyagnak össze kell-e rakódnia a gravitáció hatására.
A gyenge gravitációs lencse valóban jó módszer ezen szimulációk tesztelésére. Albert Einstein matematikailag megmutatta, hogy a gravitáció befolyásolja a fény útját, kissé kihúzva egyenes vonalából. Arthur Eddington brit csillagász 1919-ben 1914-ben sikeresen megmérte ezt a hatást, ami Einstein általános relativitáselméletének első nagy diadalát jelentette.
A könnyű hajlítás mennyisége attól függ, hogy milyen erősen megy a gravitációs mező, amelyet a forrás tömege, mérete és alakja szabályoz. Kozmikus értelemben a nap kicsi és kevés tömegű, tehát csak kismértékben tompítja a fényt. De a galaxisok milliárdjainak és milliárdjainak csillagai vannak, és a galaxiscsoportok, mint például a Bullet Cluster, több száz vagy több galaxisból állnak, rengeteg forró plazmával és extra sötét anyaggal együtt, amelyek mind együtt tartják, és a fényre gyakorolt kumulatív hatás nagyon jelentős lehet. (Érdekes tény: Einstein nem gondolta, hogy a lencsék valóban hasznosak lesznek, mivel csak csillagokra, és nem galaxisokra vonatkozik.)
Sötét anyag térképe, amelyet japán csillagászok készítettek gyenge lencsével (Satoshi Miyazaki, et al.) Erõs gravitációs lencsét nagyon hatalmas tárgyak hoznak létre, amelyek viszonylag kevés helyet foglalnak el; egy ugyanolyan tömegű, de nagyobb mennyiségben eloszlatott tárgy továbbra is eltéríti a fényt, de nem olyan drámaian. Ez a gyenge gravitációs lencse - általában csak „gyenge lencsének” hívják - lényegében.
Minden irányba nézve az univerzumban sok galaxist látsz. A legtávolabbi galaxisok túlságosan halványak lehetnek a látáshoz, ám ezek fényének szűrését háttérfényként még mindig látjuk. Amikor ez a fény egy közelebbi galaxist vagy galaxiscsoportot ér el a Föld felé vezető úton, a gyenge lencse kissé világosabbá teszi ezt a fényt. Ez egy kis hatás (elvégre ezért mondjuk „gyengenek”), ám a csillagászok felhasználhatják arra, hogy feltérképezzék a tömeget az univerzumban.
A körülbelül 100 milliárd galaxis a megfigyelhető világegyetemben nagyszerű lehetőségeket kínál a gyenge lencsékhez, és itt jönnek be olyan csillagvizsgálók, mint az LSST. A legtöbb csillagvizsgálóval ellentétben az LSST az ég nagy foltjait meghatározott mintában fogja megfigyelni, ahelyett, hogy az egyes embereket hagyná. a csillagászok diktálják, hol a távcső mutat. Ilyen módon hasonlít a Sloan Digital Sky Survey-ra (SDSS), az úttörő obszervatóriumra, amely közel 20 éve áldást nyújt a csillagászoknak.
Az olyan projektek fő célja, mint az SDSS és az LSST, a galaktikus népesség népszámlálása. Hány galaxis van odakint, és mekkora ezek? Véletlenszerűen vannak szétszórva az égen, vagy mintákba esnek? A látszólagos üregek valósak-e, vagyis olyan helyek, ahol kevés galaxis van vagy egyáltalán nincs?
A galaxisok száma és eloszlása információt nyújt a legnagyobb kozmikus rejtélyekről. Például, ugyanazok a számítógépes szimulációk, amelyek a kozmikus webet írják le, azt mondják nekünk, hogy több kicsi galaxist kell látnunk, mint hogy a teleszkópjainkban megjelennének, és a gyenge lencse segíthet nekik megtalálni.
Ezenkívül a galaxisok feltérképezése az egyik útmutatása a sötét energiának, amelyet a világegyetem gyorsuló terjeszkedésének adunk. Ha a sötét energia állandóan állandó volt, vagy ha különböző erősségűek különböző helyeken és időpontokban, akkor a kozmikus hálónak ezt tükröznie kell. Más szavakkal, a gyenge lencséből származó topográfiai térkép segíthet megválaszolni mindegyik legnagyobb kérdését: mi a sötét energia?
Végül, a gyenge lencse segíthet nekünk az ismert legkisebb tömegű részecskéknél: a neutrinók. Ezek a gyorsan mozgó részecskék nem ragadnak meg a galaxisokban, amint kialakulnak, de elviszik az energiát és a tömeget, amint mennek. Ha túl sokat vesznek el, a galaxisok nem növekednek olyan nagyok, tehát a gyenge lencsés felmérések segíthetnek kitalálni, hogy mekkora tömegű neutrinók vannak.
Az SDSS-hez hasonlóan az LSST kiadja az adatokat csillagászoknak, függetlenül attól, hogy tagjai-e az együttműködésnek, lehetővé téve minden érdekelt tudós számára, hogy felhasználja azt kutatásában.
"A távcső felmérési módban történő futtatása, majd az átfogó, magas szintű kalibrált adattermékeknek az egész tudományos közösség felé történő megküldése valóban összekapcsolódik, hogy az LSST a csillagászat történetének legtermékenyebb eszközévé váljon" - mondja Willman. "Egyébként erre törekszem."
A csillagászat hatalmas érdekes ötleteket használ fel - még azok számára is, amelyekről egyszer gondoltuk, hogy nem lesznek hasznosak - váratlan módon. A gyenge lencse közvetett módon láthatatlan vagy nagyon apró dolgokat láthat. A „gyenge”, az úgynevezett gyenge lencse erős szövetségese annak, hogy megértsük az univerzumot.
