În lumina vizibilă obișnuită, acest grup de galaxii nu arată prea mult. Există clustere mai mari, cu galaxii mai mari și cu aspect mai dramatic în ele. Dar această imagine este mai mult decât galaxii, chiar și în lumina vizibilă. Gravitatea din cluster mărește și distorsionează lumina care trece lângă ea, iar cartografierea acestei distorsiuni relevă ceva despre o substanță ascunsă de noi în mod normal: materia întunecată.
Această colecție de galaxii este cunoscută sub denumirea de „Bullet Cluster”, iar materia întunecată din interiorul ei a fost detectată printr-o metodă numită „lentile gravitaționale slabe”. Urmărind distorsiunile luminii în timp ce trece prin cluster, astronomii pot crea un fel de topografic harta masei din cluster, unde „dealurile” sunt locuri cu o gravitație puternică, iar „văile” sunt locuri cu o gravitație slabă. Motivul materiei întunecate - substanța misterioasă care formează cea mai mare parte a masei din univers - este atât de greu de studiat, deoarece nu emite și nu absoarbe lumină. Dar are gravitație și astfel apare într-o hartă topografică de acest fel.
Bullet Cluster este unul dintre cele mai bune locuri pentru a vedea efectele materiei întunecate, dar este un singur obiect. O mare parte din puterea reală a lentilelor gravitaționale slabe implică privirea a mii sau milioane de galaxii care acoperă pete mari ale cerului.
Pentru a face acest lucru, avem nevoie de telescoape mari capabile să cartografieze cosmosul în detaliu. Unul dintre acestea este telescopul de mare sondaj sinoptic (LSST), care este în construcție în Chile și ar trebui să înceapă operațiunile în 2022 și să funcționeze până în 2032. Este un proiect ambițios care va crea în cele din urmă o hartă topografică a universului.
„[LSST] va observa aproximativ jumătate din cer pe o perioadă de zece ani”, spune directorul adjunct al LSST, Beth Willman. Observatorul are „o gamă largă de obiective științifice, de la energia întunecată și lentila [gravitațională] slabă, până la studierea sistemului solar, la studiul Căii Lactee, la studierea modului în care se schimbă cerul nocturn.
Redarea artistului a telescopului de mare sondaj sinoptic, în prezent în construcție în Chile (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Pentru a studia structura universului, astronomii folosesc două strategii de bază: a merge profund și a merge larg. Telescopul spațial Hubble, de exemplu, este bun să se adâncească: designul său îi permite să caute unele dintre cele mai slabe galaxii din cosmos. LSST, în schimb, va merge larg.
„Dimensiunea telescopului în sine nu este remarcabilă”, spune Willman. LSST va avea un diametru de 27 de picioare, ceea ce îl plasează în gama medie a telescoapelor existente. „Partea unică a instrumentației LSST este câmpul de vedere al [camerei] sale care va fi pusă pe ea, care este de aproximativ 40 de ori mai mare decât luna plină.” În schimb, un telescop normal de aceeași dimensiune ca LSST vizualizați o pată de cer mai mică de un sfert din dimensiunea lunii.
Cu alte cuvinte, LSST va combina tipul de imagine cu imagine mare a cerului pe care îl veți obține folosind o cameră digitală normală, cu profunzimea vederii oferită de un telescop mare. Combinația va fi uluitoare și totul se datorează designului unic al telescopului.
LSST va folosi trei oglinzi mari, unde majoritatea altor telescoape mari folosesc două oglinzi. (Este imposibil să faci lentile cât mai mari de care au nevoie astronomii, așa că majoritatea observatorilor folosesc oglinzi, care pot fi construite din punct de vedere tehnic la orice dimensiune.) Aceste oglinzi sunt concepute pentru a focaliza cât mai multă lumină posibilă asupra camerei, ceea ce va fi de 63 de inci grozave. cu 3, 2 miliarde de pixeli.
Willman spune: „Odată ce a fost pusă laolaltă și dislocată pe cer, va fi cea mai mare cameră foto folosită pentru observații optice astronomice.”
În timp ce camerele obișnuite sunt concepute pentru a reda culorile și nivelurile de lumină care pot fi percepute de ochiul uman, camera LSST va „vedea” cinci culori. Unele dintre aceste culori se suprapun celor văzute de celulele retiniene din ochii noștri, dar includ și lumină în partea infraroșie și ultravioletă a spectrului.
După Big Bang, universul a fost o încurcătură fierbinte - cu particule. Curând, acel vraci s-a răcit și s-a extins până la punctul în care particulele ar putea începe să se atragă reciproc, lipindu-se împreună pentru a forma primele stele și galaxii și a forma o imensă pânză cosmică. Din care joncțiunile au devenit mari grupuri de galaxii, legate de filamente lungi subțiri și separate de goluri în mare parte goale. Cel puțin aceasta este cea mai bună presupunere a noastră, conform simulărilor de pe computer care arată cum ar trebui să se aglomereze materia întunecată sub atracția gravitației.
O slabă lentilă gravitațională se dovedește a fi o modalitate foarte bună de a testa aceste simulări. Albert Einstein a arătat matematic că gravitația afectează calea luminii, trăgând-o ușor din mișcarea sa dreaptă. În 1919, astronomul britanic Arthur Eddington și colegii săi au măsurat cu succes acest efect, în ceea ce a fost primul triumf important pentru teoria relativității generale a lui Einstein.
Cantitatea de lumină care se îndoaie depinde de puterea câmpului gravitațional pe care îl întâlnește, care este guvernat de masa, dimensiunea și forma sursei. În termeni cosmici, soarele este mic și scăzut în masă, așa că aruncă lumina doar cu o cantitate mică. Dar galaxiile au miliarde și miliarde de stele, iar grupele de galaxii, precum Bullet Cluster, sunt formate din sute sau mii de galaxii, împreună cu o mulțime de plasmă fierbinte și materie întunecată, care le ține pe toate, iar efectul cumulativ asupra luminii poate fi destul de semnificativ. (Fapt amuzant: Einstein nu credea că obiectivul va fi de fapt folositor, deoarece el s-a gândit la el doar în ceea ce privește stelele, nu galaxiile.)
O hartă a materiei întunecate, creată de astronomii japonezi folosind lentile slabe (Satoshi Miyazaki et al.) Lentilarea gravitațională puternică este produsă de obiecte foarte masive care ocupă relativ puțin spațiu; un obiect cu aceeași masă, dar răspândit pe un volum mai mare, va devia lumina în continuare, dar nu la fel de dramatic. Aceasta este lentila gravitațională slabă - de obicei numită „lentilă slabă” - în esență.
În fiecare direcție pe care o privești în univers, vezi o mulțime de galaxii. Cele mai îndepărtate galaxii pot fi prea slabe pentru a le vedea, dar încă vedem o parte din filtrarea luminii lor ca lumină de fundal. Atunci când acea lumină ajunge la o galaxie sau un grup de galaxii mai apropiate în drum spre Pământ, lentile slabe vor face ca această lumină să fie ceva mai strălucitoare. Acesta este un efect mic (de aceea spunem „slab”, până la urmă), dar astronomii îl pot folosi pentru a face harta masei din univers.
Cele 100 de miliarde de galaxii din universul observabil oferă o mulțime de oportunități pentru o lentilizare slabă și de acolo intră observatorii precum LSST. Spre deosebire de majoritatea celorlalte observatorii, LSST va analiza petele mari ale cerului într-un model stabilit, mai degrabă decât să lase individuale astronomii dictează unde indică telescopul. În acest fel, seamănă cu Sloan Digital Sky Survey (SDSS), observatorul de pionierat, care a fost un amănunt pentru astronomi de aproape 20 de ani.
Un obiectiv major al proiectelor precum SDSS și LSST este un recensământ al populației galactice. Câte galaxii sunt acolo și cât sunt de masive? Sunt împrăștiați la întâmplare pe cer sau se încadrează în tipare? Sunt golurile aparente reale - adică locuri cu galaxii puține sau deloc?
Numărul și distribuția galaxiilor oferă informații despre cele mai mari mistere cosmice. De exemplu, aceleași simulări computerizate care descriu web-ul cosmic ne spun că ar trebui să vedem mai multe galaxii mici decât să apară în telescoapele noastre, iar lentilarea slabă ne poate ajuta să le găsim.
În plus, cartografierea galaxiilor este un ghid pentru energia întunecată, denumirea pe care o dăm expansiunii accelerate a universului. Dacă energia întunecată a fost constantă tot timpul sau dacă are puncte forte diferite în locuri și ore diferite, pânza cosmică ar trebui să reflecte asta. Cu alte cuvinte, harta topografică de la lentile slabe ne poate ajuta să răspundem la una dintre cele mai mari întrebări dintre toate: doar ce este energia întunecată?
În cele din urmă, lentilarea slabă ne-ar putea ajuta cu particule cu cea mai mică masă pe care o cunoaștem: neutrinii. Aceste particule cu mișcare rapidă nu se lipesc în galaxii așa cum se formează, dar ele transportă energie și masă în timp ce merg. Dacă se îndepărtează prea mult, galaxiile nu cresc la fel de mari, astfel încât sondajele de lentilare slabe ne-ar putea ajuta să ne dăm seama cât de mult au neutrinii de masă.
La fel ca SDSS, LSST va lansa datele sale astronomilor, indiferent dacă sunt membri ai colaborării, permițând oricărui om de știință interesat să-l folosească în cercetarea lor.
„Rularea telescopului în modul de sondaj și apoi extragerea acestor produse extinse de date calibrate la nivelul întregii comunități științifice vor combina cu adevărat pentru a face LSST să fie cea mai productivă instalație din istoria astronomiei”, spune Willman. „Pentru asta vreau oricum.”
Puterea astronomiei folosește idei interesante - chiar și cele pe care am crezut-o că nu ar fi utile - în moduri neașteptate. Lentilarea slabă ne oferă un mod indirect de a vedea lucruri invizibile sau foarte minuscule. Pentru ceva numit „slab”, lentile slabe este un aliat puternic în încercarea noastră de a înțelege universul.
