В обычном видимом свете эта группа галактик выглядит не очень. Есть более крупные скопления с более крупными и эффектно выглядящими галактиками. Но это больше, чем галактики, даже в видимом свете. Гравитация от скопления увеличивает и искажает свет, проходящий рядом с ним, и отображение этого искажения показывает что-то о веществе, обычно скрытом от нас: темной материи.
Эта коллекция галактик, как известно, называется «Пулевым кластером», и темная материя внутри нее была обнаружена с помощью метода, называемого «слабой гравитационной линзой». Отслеживая искажения в свете, проходящем через кластер, астрономы могут создавать своего рода топографические карта массы в скоплении, где «холмы» - это места сильной гравитации, а «долины» - места слабой гравитации. Причина, по которой темную материю - таинственную субстанцию, составляющую большую часть массы во вселенной - так трудно изучить, заключается в том, что она не излучает и не поглощает свет. Но у него есть гравитация, и поэтому он отображается на топографической карте такого рода.
Bullet Cluster - одно из лучших мест, где можно увидеть эффекты темной материи, но это всего лишь один объект. Большая часть реальной силы слабого гравитационного линзирования заключается в наблюдении за тысячами или миллионами галактик, покрывающих большие участки неба.
Для этого нам нужны большие телескопы, способные детально отображать космос. Одним из них является Большой синоптический обзорный телескоп (LSST), который строится в Чили и должен начать работу в 2022 году и продлится до 2032 года. Это амбициозный проект, который в конечном итоге создаст топографическую карту вселенной.
«[LSST] будет наблюдать примерно половину неба за десятилетний период», - говорит заместитель директора LSST Бет Уиллман. Обсерватория имеет «широкий круг научных целей, от темной энергии и слабого [гравитационного] линзирования, до изучения Солнечной системы, до изучения Млечного пути, до изучения того, как ночное небо меняется со временем».
Художественный рендеринг Большого синоптического обзорного телескопа, который в настоящее время строится в Чили (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Чтобы изучить структуру вселенной, астрономы используют две основные стратегии: углубляться и расширяться. Например, космический телескоп Хаббл хорошо разбирается: его конструкция позволяет искать некоторые из самых слабых галактик в космосе. LSST, с другой стороны, расширится.
«Размер самого телескопа не примечательный», - говорит Уиллман. LSST будет 27 футов в диаметре, что ставит его в средний диапазон существующих телескопов. «Уникальной частью приборов LSST является поле зрения камеры, которая будет надета на нее, примерно в 40 раз больше полной луны». В отличие от этого, обычный телескоп такого же размера, как LSST, будет рассмотрите участок неба менее чем на четверть размера Луны.
Другими словами, LSST объединит вид неба с большим изображением, которое вы получите, используя обычную цифровую камеру, с глубиной обзора, обеспечиваемой большим телескопом. Комбинация будет захватывающей, и все это благодаря уникальному дизайну телескопа.
LSST будет использовать три больших зеркала, где большинство других больших телескопов используют два зеркала. (Невозможно сделать объективы такого размера, в котором нуждаются астрономы, поэтому большинство обсерваторий используют зеркала, которые технически могут быть изготовлены для любого размера.) Эти зеркала предназначены для фокусировки как можно большего количества света на камеру, которая будет колоссальными 63 дюйма. через 3, 2 миллиарда пикселей.
Уиллман говорит: «Как только он будет собран и развернут на небе, он станет самой большой камерой, используемой для астрономических оптических наблюдений».
В то время как обычные камеры предназначены для воссоздания цветов и уровней освещенности, которые могут восприниматься человеческим глазом, камера LSST будет «видеть» пять цветов. Некоторые из этих цветов перекрывают те, которые видят клетки сетчатки в наших глазах, но они также включают свет в инфракрасной и ультрафиолетовой части спектра.
После Большого взрыва Вселенная была горячим беспорядком - частиц. Вскоре это болото охладилось и расширилось до такой степени, что частицы могли начать притягивать друг друга, слипаясь, образуя первые звезды и галактики и образуя огромную космическую сеть. Соединения которых выросли в большие скопления галактик, связанные длинными тонкими нитями и разделенные в основном пустыми пустотами. По крайней мере, это наше лучшее предположение, согласно компьютерному моделированию, которое показывает, как темная материя должна слипаться под действием силы тяжести.
Слабое гравитационное линзирование - действительно хороший способ проверить эти симуляции. Альберт Эйнштейн математически показал, что гравитация влияет на путь света, слегка вытягивая его из прямолинейного движения. В 1919 году британский астроном Артур Эддингтон и его коллеги успешно измерили этот эффект, что стало первым крупным триумфом теории общей относительности Эйнштейна.
Количество изгибов света зависит от силы гравитационного поля, с которым оно сталкивается, и которое определяется массой, размером и формой источника. В космическом плане солнце маленькое и малое по массе, поэтому оно отталкивает свет лишь на небольшое количество. Но у галактик есть миллиарды и миллиарды звезд, и скопления галактик, такие как Пулевой кластер, состоят из сотен или тысяч галактик, наряду с большим количеством горячей плазмы и дополнительной темной материей, удерживающей их все вместе, и кумулятивное воздействие на свет может быть весьма значительным. (Забавный факт: Эйнштейн не думал, что линзы на самом деле будут полезны, поскольку он думал только о звездах, а не о галактиках.)
Карта темной материи, созданная японскими астрономами с использованием слабых линз (Сатоши Миядзаки и др.) Сильное гравитационное линзирование производится очень массивными объектами, которые занимают относительно мало места; объект с той же массой, но распределенный по большому объему, все равно будет отклонять свет, но не так резко. По сути, это слабое гравитационное линзирование, обычно называемое «слабым линзированием».
Каждое направление, которое вы смотрите во вселенной, вы видите много галактик. Самые отдаленные галактики могут быть слишком слабыми, чтобы их можно было увидеть, но мы все еще видим, как часть их света проходит сквозь фоновый свет. Когда этот свет достигает более близкой галактики или скопления галактик на пути к Земле, слабое линзирование сделает этот свет немного ярче. Это небольшой эффект (именно поэтому мы говорим «слабый», в конце концов), но астрономы могут использовать его для картирования массы во вселенной.
Около 100 миллиардов галактик в наблюдаемой вселенной предоставляют много возможностей для слабого линзирования, и именно здесь появляются такие обсерватории, как LSST. В отличие от большинства других обсерваторий, LSST будет исследовать большие участки неба в заданном порядке, вместо того, чтобы позволять отдельным астрономы определяют, куда указывает телескоп. Таким образом, он напоминает Sloan Digital Sky Survey (SDSS), новаторскую обсерваторию, которая была подарком астрономам в течение почти 20 лет.
Основной целью таких проектов, как SDSS и LSST, является перепись населения галактики. Сколько там галактик и насколько они массивны? Они случайно разбросаны по небу или они распадаются на узоры? Реальны ли видимые пустоты, то есть места с небольшим количеством галактик или вообще без них?
Количество и распределение галактик дает информацию о самых больших космических тайнах. Например, те же компьютерные симуляции, которые описывают космическую сеть, говорят нам, что мы должны видеть больше маленьких галактик, чем обнаруживается в наших телескопах, и слабое линзирование может помочь нам найти их.
Кроме того, картирование галактик является одним из проводников темной энергии, название, которое мы даем ускоренному расширению Вселенной. Если темная энергия была постоянной все время, или если она имела разные силы в разных местах и времени, космическая паутина должна отражать это. Другими словами, топографическая карта со слабой линзой может помочь нам ответить на один из самых больших вопросов из всех: что такое темная энергия?
Наконец, слабое линзирование может помочь нам с частицами с самой низкой массой, которые мы знаем: нейтрино. Эти быстро движущиеся частицы не слипаются в галактиках, поскольку они формируются, но они уносят энергию и массу, поскольку они идут. Если они отнимают слишком много, галактики не становятся такими большими, поэтому слабые обзоры линз могут помочь нам выяснить, сколько у нас нейтрино.
Как и SDSS, LSST будет предоставлять свои данные астрономам независимо от того, являются ли они участниками совместной работы, что позволяет любому заинтересованному ученому использовать их в своих исследованиях.
«Работа телескопа в режиме съемки, а затем передача этих обширных откалиброванных высокоуровневых продуктов данных всему научному сообществу действительно объединят, чтобы сделать LSST самым продуктивным объектом в истории астрономии», - говорит Уиллман. «Это то, к чему я стремлюсь в любом случае».
Сила астрономии использует интересные идеи - даже те, которые мы когда-то считали бесполезными - неожиданными способами. Слабая линза дает нам косвенный способ видеть невидимые или очень маленькие вещи. Для того, что называется «слабым», слабые линзы являются сильным союзником в нашем стремлении понять вселенную.
