V obyčejném viditelném světle tento shluk galaxií nevypadá moc. Existují větší shluky s většími a dramatičtěji vypadajícími galaxiemi. Ale na tomto obrázku je víc než galaxie, dokonce i ve viditelném světle. Gravitace ze shluku zvětšuje a deformuje světlo, které prochází kolem něj, a zmapování tohoto zkreslení odhalí něco o látce, která je před námi běžně skrytá: temná hmota.
Tato sbírka galaxií se skvěle nazývá „Bullet Cluster“ a tmavá hmota uvnitř byla detekována metodou zvanou „slabá gravitační čočka“. Sledováním zkreslení světla při průchodu shlukem mohou astronomové vytvořit určitý topografický mapa hmoty v kupě, kde jsou „kopce“ místy silné gravitace a „údolí“ jsou místy nízké gravitace. Důvod temné hmoty - tajemné látky, která tvoří většinu hmoty ve vesmíru - je tak obtížné studovat, protože nevyzařuje ani neabsorbuje světlo. Má však gravitaci, a tak se ukazuje na topografické mapě tohoto druhu.
Bullet Cluster je jedním z nejlepších míst, kde můžete vidět účinky temné hmoty, ale je to pouze jeden objekt. Hodně ze skutečné síly slabých gravitačních čoček zahrnuje pohled na tisíce nebo miliony galaxií pokrývajících velké skvrny oblohy.
K tomu potřebujeme velké dalekohledy schopné podrobně zmapovat vesmír. Jedním z nich je Large Synoptic Survey Telescope (LSST), který je ve výstavbě v Chile, a měl by začít fungovat v roce 2022 a měl by fungovat do roku 2032. Je to ambiciózní projekt, který nakonec vytvoří topografickou mapu vesmíru.
"[LSST] bude pozorovat zhruba polovinu oblohy během deseti let, " říká zástupce LSST Beth Willman. Observatoř má „širokou škálu vědeckých cílů, od temné energie a slabého [gravitačního] objektivu, ke studiu sluneční soustavy, ke studiu Mléčné dráhy, ke studiu toho, jak se noční oblohy časem mění.“
Umělecké vykreslování dalekohledu Large Synoptic Survey Telescope, který je v současné době ve výstavbě v Chile (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Ke studiu struktury vesmíru používají astronomové dvě základní strategie: hluboký a široký. Například Hubbleův kosmický dalekohled je schopen jít hluboko: jeho konstrukce umožňuje hledat některé z nejmenších galaxií ve vesmíru. LSST, na druhé straně, půjde široký.
"Velikost samotného dalekohledu není pozoruhodná, " říká Willman. LSST bude mít průměr 27 stop, což jej zařadí do středu stávajících dalekohledů. "Unikátní součástí instrumentace LSST je zorné pole kamery [její], která bude na ni nasazena, což je zhruba 40násobek velikosti úplňku." Naproti tomu normální dalekohled stejné velikosti jako LSST by zobrazit část oblohy méně než čtvrtina velikosti měsíce.
Jinými slovy, LSST kombinuje druh velkého obrazu oblohy, který byste získali pomocí běžného digitálního fotoaparátu, s hloubkou vidění poskytovanou velkým dalekohledem. Tato kombinace bude úchvatná a to vše díky unikátnímu designu dalekohledu.
LSST použije tři velká zrcadla, kde většina ostatních velkých dalekohledů používá dvě zrcadla. (Je nemožné vyrobit objektivy tak velké, jak astronomové potřebují, takže většina observatoří používá zrcadla, která lze technicky postavit na jakoukoli velikost.) Tato zrcadla jsou navržena tak, aby zaostřovala co nejvíce světla na kameru, což bude neuvěřitelných 63 palců napříč s 3, 2 miliardami pixelů.
Willman říká: „Jakmile bude sestaven a nasazen na obloze, bude to největší kamera používaná pro astronomická optická pozorování.“
Zatímco běžné fotoaparáty jsou navrženy tak, aby znovu vytvářely barvy a úrovně světla, které může lidské oko vnímat, fotoaparát LSST „uvidí“ pět barev. Některé z těchto barev se překrývají s barvami, které vidíme v sítnici v našich očích, ale zahrnují také světlo v infračervené a ultrafialové části spektra.
Po Velkém třesku byl vesmír horkým nepořádkem - částic. Brzy se tato quagmira ochladila a rozšířila do bodu, kdy částice mohly začít přitahovat jeden druhého, držet se spolu a tvořit první hvězdy a galaxie a tvořit obrovskou kosmickou síť. Jejich křižovatky se rozrostly na velké shluky galaxií spojené dlouhými tenkými vlákny a oddělené většinou prázdnými dutinami. Alespoň to je náš nejlepší odhad, podle počítačových simulací, které ukazují, jak by se temná hmota měla hromadit pod tíhou gravitace.
Slabá gravitační čočka se ukazuje jako opravdu dobrý způsob, jak tyto simulace otestovat. Albert Einstein matematicky ukázal, že gravitace ovlivňuje dráhu světla a mírně ji vytáhla z přímočarého pohybu. V 1919, britský astronom Arthur Eddington a jeho kolegové úspěšně změřili tento účinek, v čem byl první hlavní triumf Einsteinovy teorie obecné relativity.
Množství ohybů světla závisí na síle gravitačního pole, s nímž se setkává, které se řídí hmotností, velikostí a tvarem zdroje. Z kosmického hlediska je slunce malé a nízkohmotné, takže lehce naráží světlo jen v malém množství. Galaxie však mají miliardy a miliardy hvězd a klastry galaxií, jako je Bullet Cluster, se skládají ze stovek nebo tisíců galaxií, spolu s velkým množstvím horké plazmy a extra tmavé hmoty, které je drží všechny pohromadě, a kumulativní vliv na světlo může být docela významný. (Zábavná skutečnost: Einstein si nemyslel, že by čočky byly skutečně užitečné, protože o tom uvažoval pouze z hlediska hvězd, nikoli z galaxií.)
Mapa temné hmoty vytvořená japonskými astronomy pomocí slabých čoček (Satoshi Miyazaki, et al.) Silné gravitační čočky jsou produkovány velmi masivními objekty, které zabírají relativně málo prostoru; objekt se stejnou hmotou, ale rozprostřený na větší objem, bude stále odchylovat světlo, ale ne tak dramaticky. To je v podstatě slabá gravitační čočka - obvykle se nazývá „slabá čočka“.
Každý směr, kterým se podíváte do vesmíru, vidíte spoustu galaxií. Nejvzdálenější galaxie mohou být příliš slabé na to, aby se daly vidět, ale stále vidíme, jak se některé jejich světla filtrují jako pozadí. Když toto světlo dosáhne své přibližné galaxie nebo shluku galaxií na své cestě k Zemi, slabé čočky způsobí, že toto světlo bude trochu jasnější. Toto je malý efekt (proto říkáme konec konců „slabé“), ale astronomové jej mohou použít k mapování hmoty ve vesmíru.
Asi 100 miliard galaxií v pozorovatelném vesmíru poskytuje mnoho příležitostí pro slabé čočky, a to je místo, kam přicházejí observatoře jako LSST. Na rozdíl od většiny ostatních observatoří, LSST bude zkoumat velké skvrny oblohy v nastaveném vzoru, spíše než nechat jednotlivce astronomové diktují, kde dalekohled ukazuje. Tímto způsobem se podobá průzkumu Sloan Digital Sky Survey (SDSS), průkopnické observatoři, která je pro astronomy přínosem už téměř 20 let.
Hlavním cílem projektů jako SDSS a LSST je sčítání galaktické populace. Kolik galaxií je tam a jak jsou obrovské? Jsou náhodně rozptýleni po obloze nebo spadají do vzorů? Jsou zdánlivé dutiny skutečné - to znamená, místa s několika nebo žádnými galaxiemi vůbec?
Počet a distribuce galaxií poskytuje informace o největších kosmických tajemstvích. Například stejné počítačové simulace, které popisují kosmický web, nám říkají, že bychom měli vidět více malých galaxií, než se zobrazují v našich dalekohledech, a slabé čočky nám mohou pomoci je najít.
Mapování galaxií je navíc jedním vodítkem temné energie, což je název, který dáváme zrychlující se expanzi vesmíru. Pokud temná energie byla po celou dobu konstantní nebo pokud má na různých místech a časech různé síly, měla by to kosmická síť odrážet. Jinými slovy, topografická mapa ze slabých čoček nám může pomoci odpovědět na jednu z největších otázek ze všech: jen co je temná energie?
A konečně, slabé čočky by nám mohly pomoci s částicemi o nízké hmotnosti, které známe: neutriny. Tyto rychle se pohybující částice se nelepí v galaxiích, když se formují, ale během cesty nesou energii a hmotu. Pokud odnesou příliš mnoho, galaxie nerostou tak velké, takže slabé průzkumy objektivů by nám mohly pomoci zjistit, kolik má hmotnost neutrin.
Stejně jako SDSS, i LSST uvolní svá data astronomům bez ohledu na to, zda jsou členy spolupráce, což umožní zainteresovaným vědcům jejich použití ve svém výzkumu.
"Spuštění dalekohledu v režimu průzkumu a následné vynášení těchto rozsáhlých kalibrovaných datových produktů na vysoké úrovni celé vědecké komunitě se opravdu spojí, aby se LSST stal nejproduktivnějším zařízením v historii astronomie, " říká Willman. "To je to, na co stejně zaměřuji."
Síla astronomie používá zajímavé nápady - i ty, o kterých jsme si mysleli, že by nebyly užitečné - neočekávaným způsobem. Slabá čočka nám poskytuje nepřímý způsob, jak vidět neviditelné nebo velmi malé věci. Pro něco, co se nazývá „slabé“, je slabé čočky silným spojencem v naší snaze porozumět vesmíru.
