Σε συνηθισμένο ορατό φως, αυτό το σύμπλεγμα γαλαξιών δεν μοιάζει πολύ. Υπάρχουν μεγαλύτερα σμήνη με μεγαλύτερους και πιο δραματικούς γαλαξίες σε αυτούς. Αλλά υπάρχουν περισσότερα σε αυτή την εικόνα από τους γαλαξίες, ακόμη και σε ορατό φως. Η βαρύτητα από το σύμπλεγμα μεγεθύνει και διαστρεβλώνει το φως που διέρχεται κοντά του και η χαρτογράφηση αυτής της παραμόρφωσης αποκαλύπτει κάτι για μια ουσία που συνήθως κρύβεται από εμάς: σκοτεινή ύλη.
Αυτή η συλλογή γαλαξιών ονομάζεται "Bullet Cluster" και η σκοτεινή ύλη μέσα σε αυτή ανιχνεύτηκε μέσω μιας μεθόδου που ονομάζεται "ασθενής βαρυτική κηλίδα". Παρακολουθώντας στρεβλώσεις στο φως καθώς περνά μέσα από το σύμπλεγμα, οι αστρονόμοι μπορούν να δημιουργήσουν ένα είδος τοπογραφικού χάρτης της μάζας στο σύμπλεγμα, όπου οι "λόφοι" είναι τόποι ισχυρής βαρύτητας και "κοιλάδες" είναι περιοχές ασθενούς βαρύτητας. Ο λόγος για τον οποίο η σκοτεινή ύλη - η μυστηριώδης ουσία που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας στο σύμπαν - είναι τόσο δύσκολο να μελετηθεί είναι επειδή δεν εκπέμπει ούτε απορροφά το φως. Αλλά έχει βαρύτητα, και έτσι εμφανίζεται σε ένα τοπογραφικό χάρτη αυτού του είδους.
Το Σύμπλεγμα Bullet είναι ένα από τα καλύτερα μέρη για να δείτε τα αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης, αλλά είναι μόνο ένα αντικείμενο. Ένα μεγάλο μέρος της πραγματικής δύναμης του ασθενούς βαρυτικού φακού περιλαμβάνει την εξέταση χιλιάδων ή εκατομμυρίων γαλαξιών που καλύπτουν μεγάλες επιφάνειες του ουρανού.
Για να το κάνουμε αυτό, χρειαζόμαστε μεγάλα τηλεσκόπια ικανά να χαρτογραφήσουν τον Κόσμο λεπτομερώς. Ένα από αυτά είναι το Μεγάλο Συσκοπευτικό Τηλεσκόπιο (LSST), το οποίο κατασκευάζεται στη Χιλή και θα πρέπει να αρχίσει να λειτουργεί το 2022 και να λειτουργήσει μέχρι το 2032. Πρόκειται για ένα φιλόδοξο έργο που τελικά θα δημιουργήσει ένα τοπογραφικό χάρτη του σύμπαντος.
"[LSST] πρόκειται να παρατηρήσει σχεδόν το ήμισυ του ουρανού σε περίοδο δέκα ετών", λέει ο αναπληρωτής διευθυντής της LSST Beth Willman. Το παρατηρητήριο έχει "ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών στόχων, από τη σκοτεινή ενέργεια και την αδύναμη [βαρυτική] φακοειδή, στη μελέτη του ηλιακού συστήματος, στη μελέτη του Γαλαξία, στη μελέτη του πως ο νυχτερινός ουρανός αλλάζει με τον καιρό".
Η απόδοση του καλλιτέχνη του Μεγάλου Συσκοπευτικού Τηλεσκοπίου, που βρίσκεται υπό κατασκευή στη Χιλή (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Για να μελετήσουν τη δομή του σύμπαντος, οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν δύο βασικές στρατηγικές: βαδίζοντας βαθιά και πηγαίνοντας ευρύ. Το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble, για παράδειγμα, είναι καλό στο βάθος: ο σχεδιασμός του επιτρέπει να ψάξει για μερικούς από τους πιο αδύναμους γαλαξίες στον Κόσμο. Το LSST, από την άλλη πλευρά, θα είναι ευρύ.
"Το μέγεθος του ίδιου του τηλεσκοπίου δεν είναι αξιοσημείωτο", λέει ο Willman. Το LSST θα έχει διάμετρο 27 πόδια, το οποίο το τοποθετεί στο μεσαίο εύρος των υπαρχόντων τηλεσκοπίων. "Το μοναδικό κομμάτι των οργάνων του LSST είναι το οπτικό πεδίο της φωτογραφικής μηχανής που πρόκειται να τοποθετηθεί σε αυτό, που είναι περίπου 40 φορές το μέγεθος της πανσέληνος." Αντίθετα, ένα κανονικό τηλεσκόπιο ίδιου μεγέθους με το LSST δείτε ένα κομμάτι του ουρανού λιγότερο από το ένα τέταρτο του μεγέθους της σελήνης.
Με άλλα λόγια, το LSST θα συνδυάσει το είδος της μεγάλης εικόνας του ουρανού που παίρνετε χρησιμοποιώντας μια κανονική ψηφιακή φωτογραφική μηχανή, με το βάθος της όρασης που παρέχεται από ένα μεγάλο τηλεσκόπιο. Ο συνδυασμός θα είναι μαγευτικός και όλα οφείλονται στο μοναδικό σχεδιασμό του τηλεσκοπίου.
Το LSST θα χρησιμοποιεί τρεις μεγάλους καθρέφτες, όπου τα περισσότερα άλλα μεγάλα τηλεσκόπια χρησιμοποιούν δύο καθρέφτες. (Είναι αδύνατο να φτιαχτούν φακοί τόσο μεγάλες όσο χρειάζονται οι αστρονόμοι, έτσι ώστε τα περισσότερα παρατηρητήρια χρησιμοποιούν καθρέφτες, οι οποίοι μπορούν τεχνικά να κατασκευαστούν σε οποιοδήποτε μέγεθος.) Αυτοί οι καθρέφτες έχουν σχεδιαστεί για να εστιάζουν όσο το δυνατόν περισσότερο φωτισμό στην κάμερα, η οποία θα είναι μια επιβλητική 63 ίντσες με 3, 2 δισεκατομμύρια pixel.
Ο Willman λέει: «Μόλις συγκεντρωθούν και αναπτυχθούν στον ουρανό, θα είναι η μεγαλύτερη κάμερα που χρησιμοποιείται για αστρονομικές οπτικές παρατηρήσεις».
Ενώ οι συνηθισμένες κάμερες έχουν σχεδιαστεί για να αναδημιουργήσουν τα χρώματα και τα επίπεδα φωτισμού που μπορεί να αντιληφθεί το ανθρώπινο μάτι, η κάμερα LSST θα "δει" πέντε χρώματα. Ορισμένα από αυτά τα χρώματα επικαλύπτουν αυτά που βλέπουν τα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς στα μάτια μας, αλλά περιλαμβάνουν και το φως στο υπέρυθρο και το υπεριώδες τμήμα του φάσματος.
Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν ήταν ένα καυτό μείγμα σωματιδίων. Σύντομα, ο ακρωτηριασμός ψύχεται και επεκτείνεται μέχρι το σημείο όπου τα σωματίδια θα μπορούσαν να αρχίσουν να προσελκύονται μεταξύ τους, να κολλήσουν μαζί για να σχηματίσουν τα πρώτα αστέρια και τους γαλαξίες και να σχηματίσουν έναν τεράστιο κοσμικό ιστό. Οι διασταυρώσεις των οποίων αναπτύχθηκαν σε μεγάλα σμήνη γαλαξιών, που συνδέονται με μακριές λεπτές ίνες και διαχωρίζονται από τα κενά κενά. Τουλάχιστον αυτή είναι η καλύτερη εικασία μας, σύμφωνα με προσομοιώσεις υπολογιστών που δείχνουν πώς η σκοτεινή ύλη πρέπει να συσσωρεύεται μαζί κάτω από την έλξη της βαρύτητας.
Η αδύναμη βαρυτική φθορά αποδεικνύεται ένας πολύ καλός τρόπος για να δοκιμάσετε αυτές τις προσομοιώσεις. Ο Albert Einstein έδειξε μαθηματικά ότι η βαρύτητα επηρεάζει την πορεία του φωτός, τραβώντας το ελαφρώς έξω από την ευθεία του κίνηση. Το 1919, ο Βρετανός αστρονόμος Arthur Eddington και οι συνεργάτες του μέτρησαν με επιτυχία αυτό το αποτέλεσμα, σε ποιο ήταν το πρώτο μεγάλο θρίαμβο για τη θεωρία γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Το ποσό των φωτεινών στροφών εξαρτάται από τη δύναμη του βαρυτικού πεδίου που συναντά, το οποίο διέπεται από τη μάζα, το μέγεθος και το σχήμα της πηγής. Από κοσμικούς όρους, ο ήλιος είναι μικρός και χαμηλός στη μάζα, οπότε ωθεί το φως μόνο σε μικρό ποσό. Όμως, οι γαλαξίες έχουν δισεκατομμύρια και δισεκατομμύρια αστέρια και τα σμήνη των γαλαξιών, όπως το σύμπλεγμα των σφαίρων, αποτελούνται από εκατοντάδες ή χιλιάδες γαλαξίες, μαζί με άφθονο ζεστό πλάσμα και επιπλέον σκοτεινή ύλη που τα συγκρατεί όλα μαζί και η σωρευτική επίδραση στο φως μπορεί να είναι αρκετά σημαντική. (Γεγονός διασκέδασης: ο Αϊνστάιν δεν πίστευε ότι ο φακός θα ήταν πραγματικά χρήσιμος, αφού το σκεφτόταν μόνο από άποψη άστρων και όχι γαλαξιών).
Ένας χάρτης σκοτεινής ύλης, που δημιουργήθηκε από ιαπωνικούς αστρονόμους που χρησιμοποιούν αδύναμους φακούς (Satoshi Miyazaki, et al.) Ο ισχυρός βαρυτικός φακός παράγεται από πολύ ογκώδη αντικείμενα που καταλαμβάνουν σχετικά μικρό χώρο. ένα αντικείμενο με την ίδια μάζα, αλλά απλωμένο σε μεγαλύτερο όγκο, θα εκτρέψει ακόμα το φως, αλλά όχι τόσο δραματικά. Αυτός είναι ο ασθενής βαρυτικός φακός - συνήθως ονομάζεται "αδύναμος φακός" - στην ουσία.
Κάθε κατεύθυνση που βλέπεις στο σύμπαν, βλέπεις πολλούς γαλαξίες. Οι πιο απομακρυσμένοι γαλαξίες μπορεί να είναι πολύ εξασθενημένοι για να δουν, αλλά εξακολουθούμε να βλέπουμε ότι κάποιο από το φως τους φιλτράρεται μέσα από το φως του φόντου. Όταν το φως φτάσει σε ένα κοντινό σύμπλεγμα γαλαξιών ή γαλαξιών στο δρόμο του προς τη Γη, οι αδύναμοι φακοί θα κάνουν αυτό το φως λίγο πιο φωτεινό. Αυτό είναι ένα μικρό φαινόμενο (γι 'αυτό και λέμε "αδύναμο"), αλλά οι αστρονόμοι μπορούν να το χρησιμοποιήσουν για να χαρτογραφήσουν τη μάζα στο σύμπαν.
Τα 100 δισεκατομμύρια περίπου γαλαξίες στο παρατηρούμενο σύμπαν παρέχουν πολλές ευκαιρίες για ασθενές φακό και εδώ μπαίνουν παρατηρητήρια όπως το LSST. Σε αντίθεση με τα περισσότερα παρατηρητήρια, το LSST θα ερευνήσει μεγάλα μπαλώματα του ουρανού σε καθορισμένο μοτίβο, αντί να αφήσει ατομικά οι αστρονόμοι υπαγορεύουν το σημείο που το τηλεσκόπιο δείχνει. Με αυτό τον τρόπο μοιάζει με την Sloan Digital Sky Sky Survey (SDSS), το πρωτοποριακό παρατηρητήριο που είναι ένα όφελος για τους αστρονόμους για σχεδόν 20 χρόνια.
Ένας μεγάλος στόχος έργων όπως το SDSS και το LSST είναι μια απογραφή του γαλαξιακού πληθυσμού. Πόσοι γαλαξίες είναι εκεί έξω και πόσο μαζικοί είναι αυτοί; Είναι τυχαία διάσπαρτα στον ουρανό, ή πέφτουν σε σχέδια; Είναι τα εμφανή κενά αληθινά - δηλαδή, θέσεις με λίγους ή καθόλου γαλαξίες;
Ο αριθμός και η κατανομή των γαλαξιών δίνει πληροφορίες για τα μεγαλύτερα κοσμικά μυστήρια. Για παράδειγμα, οι ίδιες προσομοιώσεις υπολογιστών που περιγράφουν τον κοσμικό ιστό μας λένε ότι πρέπει να βλέπουμε περισσότερους γαλαξίες απ 'ότι να εμφανίζονται στα τηλεσκόπια μας και η αδύναμη φακοί μπορεί να μας βοηθήσει να τις βρούμε.
Επιπλέον, οι γαλαξίες χαρτογράφησης είναι ένας οδηγός για τη σκοτεινή ενέργεια, το όνομα που δίνουμε στην επιταχυνόμενη επέκταση του σύμπαντος. Αν η σκοτεινή ενέργεια είναι σταθερή όλη την ώρα ή εάν έχει διαφορετικές δυνάμεις σε διαφορετικούς τόπους και χρόνους, ο κοσμικός ιστός πρέπει να το αντικατοπτρίζει. Με άλλα λόγια, ο τοπογραφικός χάρτης από το αδύναμο φακό μπορεί να μας βοηθήσει να απαντήσουμε σε μία από τις μεγαλύτερες ερωτήσεις όλων: ακριβώς τι είναι η σκοτεινή ενέργεια;
Τέλος, ο ασθενής φακός θα μπορούσε να μας βοηθήσει με τα μικρότερα σωματίδια που γνωρίζουμε: νετρίνα. Αυτά τα γρήγορα μετακινούμενα σωματίδια δεν κολλάνε γύρω από τους γαλαξίες που σχηματίζουν, αλλά μεταφέρουν ενέργεια και μάζα καθώς πηγαίνουν. Αν απομακρυνθούν πάρα πολύ, οι γαλαξίες δεν μεγαλώνουν τόσο μεγάλες, τόσο αδύναμες έρευνες φακοειδών μπορούν να μας βοηθήσουν να υπολογίσουμε πόσα μάζα έχουν τα νετρίνα.
Όπως και το SDSS, το LSST θα απελευθερώσει τα δεδομένα του στους αστρονόμους ανεξάρτητα από το αν είναι μέλη της συνεργασίας, επιτρέποντας σε κάθε ενδιαφερόμενο επιστήμονα να το χρησιμοποιήσει στην έρευνά του.
"Η εκτέλεση του τηλεσκοπίου στη λειτουργία έρευνας και η συγκέντρωση αυτών των εκτεταμένων βαθμονομημένων προϊόντων δεδομένων υψηλού επιπέδου σε ολόκληρη την επιστημονική κοινότητα θα συνδυάσουν πραγματικά το LSST να είναι η πιο παραγωγική εγκατάσταση στην ιστορία της αστρονομίας", λέει ο Willman. "Αυτό θέλω ούτως ή άλλως."
Η δύναμη της αστρονομίας χρησιμοποιεί ενδιαφέρουσες ιδέες - ακόμη και αυτές που κάποτε θεωρούσαμε ότι δεν θα ήταν χρήσιμες - με απροσδόκητους τρόπους. Το αδύναμο φακό μας δίνει έναν έμμεσο τρόπο να βλέπουμε αόρατα ή πολύ μικροσκοπικά πράγματα. Για κάτι που λέγεται "αδύναμο", ο ασθενής φακοί είναι ένας ισχυρός σύμμαχος στην προσπάθειά μας να κατανοήσουμε το σύμπαν.
