I vanlig synlig lys ser ikke denne klyngen av galakser ut som mye. Det er større klynger med større og mer dramatisk utseende galakser i seg. Men dette bildet er mer enn galakser, selv i synlig lys. Tyngdekraften fra klyngen forstørrer og forvrenger lys som passerer nær den, og kartlegging av forvrengning avslører noe om et stoff som vanligvis er skjult for oss: mørk materie.
Denne samlingen av galakser er kjent som "Bullet Cluster", og den mørke materien inni den ble oppdaget ved hjelp av en metode som kalles "svak gravitasjonslinsing." Ved å spore forvrengninger i lys når den passerer gjennom klyngen, kan astronomer lage en slags topografisk kart over massen i klyngen, der "åsene" er steder med sterk tyngdekraft og "daler" er steder med svak tyngdekraft. Årsaken til mørk materie - det mystiske stoffet som utgjør mesteparten av massen i universet - er så vanskelig å studere, er fordi det ikke avgir eller absorberer lys. Men den har tyngdekraften, og dermed vises den i et topografisk kart av denne typen.
Bullet Cluster er et av de beste stedene å se effekten av mørk materie, men det er bare ett objekt. Mye av den virkelige kraften til svak gravitasjonslinsering innebærer å se på tusenvis eller millioner galakser som dekker store lapper av himmelen.
For å gjøre det trenger vi store teleskoper som er i stand til å kartlegge kosmos i detalj. En av disse er Large Synoptic Survey Telescope (LSST), som er under bygging i Chile, og bør begynne å operere i 2022 og gå til 2032. Det er et ambisiøst prosjekt som til slutt vil lage et topografisk kart over universet.
"[LSST] kommer til å observere omtrent halvparten av himmelen over en tiårsperiode, " sier LSST-nestleder Beth Willman. Observatoriet har "et bredt spekter av vitenskapelige mål, fra mørk energi og svak [gravitasjons] linseing, til å studere solsystemet, til å studere Melkeveien, til å studere hvordan nattehimmelen endrer seg med tiden."
Kunstnerens gjengivelse av det store synoptiske undersøkelseskikkert, som for tiden er under bygging i Chile (Michael Mullen Design, LSST Corporation) For å studere universets struktur benytter astronomer to grunnleggende strategier: å gå dypt og gå bredt. Hubble-romteleskopet er for eksempel flinke til å gå dypt: Designet lar det se etter noen av de svakeste galakene i kosmos. LSST vil derimot gå bredt.
"Størrelsen på selve teleskopet er ikke oppsiktsvekkende, " sier Willman. LSST vil være 27 fot i diameter, noe som setter den i mellomområdet for eksisterende teleskoper. "Den unike delen av LSSTs instrumentering er synsfeltet til [dets] kamera som kommer til å bli lagt på det, som er omtrent 40 ganger fullmåne-størrelsen." Derimot et normalt teleskop i samme størrelse som LSST ville se på en himmellapp mindre enn en fjerdedel av månens størrelse.
Med andre ord, LSST vil kombinere den typen store bilder av himmelen du får ved å bruke et normalt digitalt kamera, med dybdesynet fra et stort teleskop. Kombinasjonen vil være fantastisk, og det hele skyldes teleskopets unike design.
LSST vil ansette tre store speil, der de fleste andre store teleskoper bruker to speil. (Det er umulig å lage linser så store som astronomer trenger, så de fleste observatorier bruker speil, som teknisk kan bygges i alle størrelser.) Disse speilene er designet for å fokusere så mye lys som mulig på kameraet, som vil være en enorm 63 tommer på tvers, med 3, 2 milliarder piksler.
Willman sier: "Når det først er satt sammen og blitt satt ut på himmelen, vil det være det største kameraet som brukes til astronomiske optiske observasjoner."
Mens vanlige kameraer er designet for å gjenskape farger og lysnivåer som kan oppfattes av det menneskelige øyet, vil LSSTs kamera "se" fem farger. Noen av disse fargene overlapper de som blir sett av netthinnecellene i øynene våre, men de inkluderer også lys i den infrarøde og ultrafiolette delen av spekteret.
Etter Big Bang var universet et hett rot - av partikler. Snart avkjølte den kvagmyren seg og utvidet seg til det punktet hvor partiklene kunne begynne å tiltrekke hverandre, klistret seg sammen for å danne de første stjernene og galakser og danne en enorm kosmisk nett. Kryssene vokste til store galakse-klynger, forbundet med lange tynne filamenter, og adskilt av stort sett tomme tomrom. I det minste er det vår beste gjetning, i henhold til datasimuleringer som viser hvordan mørk materie skal klumpe seg sammen under tyngdekraften.
Svak gravitasjonslinsing viser seg å være en veldig god måte å teste disse simuleringene på. Albert Einstein viste matematisk at tyngdekraften påvirker lysbanen, og drar den litt ut av sin rette linje. I 1919 målte den britiske astronomen Arthur Eddington og kollegene denne effekten med suksess, i den som var den første store triumfen for Einsteins teori om generell relativitet.
Mengden av lys bøyer avhenger av styrken til tyngdekraftsfeltet den møter, som styres av kildens masse, størrelse og form. I kosmiske termer er solen liten og lav i masse, så den skyver lys bare med en liten mengde. Men galakser har milliarder og milliarder av stjerner, og galakse klynger som Bullet Cluster består av hundrevis eller tusenvis av galakser, sammen med mye varmt plasma og ekstra mørkt stoff som holder dem alle sammen, og den kumulative påvirkningen på lys kan være ganske betydelig. (Morsomt faktum: Einstein trodde ikke at linsing faktisk ville være nyttig, siden han bare tenkte på det når det gjelder stjerner, ikke galakser.)
Et mørk materie kart, laget av japanske astronomer ved bruk av svak linse (Satoshi Miyazaki, et al.) Sterk gravitasjonslinsing produseres av veldig massive gjenstander som tar relativt liten plass; et objekt med samme masse, men spredt ut over et større volum, vil fortsatt avlede lys, men ikke så dramatisk. Det er svak gravitasjonslinsing - vanligvis bare kalt "svak linseing" - i essensen.
Hver retning du ser i universet, ser du mange galakser. De fjerneste galakser kan være for svake til å se, men vi ser fremdeles at noe av lyset deres filtrerer gjennom som bakgrunnslys. Når det lyset når en nærmere galakse eller galakse-klynge på vei til Jorden, vil svak linseing gjøre lyset litt lysere. Dette er en liten effekt (det er grunnen til at vi sier "svak", tross alt), men astronomer kan bruke den til å kartlegge massen i universet.
De rundt 100 milliarder galaksene i det observerbare universet gir mange muligheter for svak linseing, og det er der observatorier som LSST kommer inn. I motsetning til de fleste andre observatorier, vil LSST kartlegge store lapper av himmelen i et angitt mønster, i stedet for å la individuelle astronomer dikterer hvor teleskopet peker. Slik ligner det Sloan Digital Sky Survey (SDSS), det banebrytende observatoriet som har vært en velsignelse for astronomene i nesten 20 år.
Et hovedmål for prosjekter som SDSS og LSST er en folketelling for den galaktiske befolkningen. Hvor mange galakser er der ute, og hvor massive er de? Er de tilfeldig spredt over himmelen, eller faller de i mønstre? Er de tilsynelatende tomrom ekte - det vil si steder med få eller ingen galakser i det hele tatt?
Antallet og fordelingen av galakser gir informasjon om de største kosmiske mysteriene. For eksempel forteller de samme datasimuleringene som beskriver det kosmiske nettet at vi burde se flere små galakser enn dukker opp i teleskopene våre, og svak linse kan hjelpe oss med å finne dem.
I tillegg er kartlegging av galakser en guide til mørk energi, navnet vi gir den akselererende utvidelsen av universet. Hvis mørk energi har vært konstant hele tiden, eller hvis den har forskjellige styrker på forskjellige steder og tider, bør den kosmiske nettet gjenspeile det. Med andre ord kan det topografiske kartet fra svak linsing hjelpe oss med å svare på et av de største spørsmålene av alt: hva er mørk energi?
Til slutt kan svak linseing hjelpe oss med partiklene med laveste masse vi kjenner: nøytrinoer. Disse raskt bevegelige partiklene fester seg ikke i galakser når de dannes, men de fører bort energi og masse mens de går. Hvis de tar bort for mye, vokser ikke galakser like store, så svake linsenundersøkelser kan hjelpe oss med å finne ut hvor mye massenøytrinoer som har.
I likhet med SDSS vil LSST gi ut sine data til astronomer uansett om de er medlemmer av samarbeidet, slik at enhver interessert vitenskapsmann kan bruke dem i forskningen sin.
"Å kjøre teleskopet i undersøkelsesmodus, og deretter få de omfattende kalibrerte dataproduktene på høyt nivå ut til hele det vitenskapelige samfunnet, kommer virkelig til å gjøre at LSST blir det mest produktive anlegget i astronomiens historie, " sier Willman. "Det er det jeg sikter til uansett."
Kraften i astronomi bruker interessante ideer - selv de vi en gang trodde ikke ville være nyttige - på uventede måter. Svak linse gir oss en indirekte måte å se usynlige eller veldig små ting på. For noe som kalles "svak", er svak linseing en sterk alliert i vår søken etter å forstå universet.
