Im normalen sichtbaren Licht sieht dieser Galaxienhaufen nicht nach viel aus. Es gibt größere Haufen mit größeren und dramatischeren Galaxien. Aber dieses Bild enthält mehr als nur Galaxien, auch im sichtbaren Licht. Die Schwerkraft des Clusters vergrößert und verzerrt das Licht, das in seiner Nähe vorbeizieht, und die Abbildung dieser Verzerrung zeigt etwas über eine Substanz, die normalerweise vor uns verborgen ist: Dunkle Materie.
Diese Sammlung von Galaxien wird bekanntlich als „Bullet Cluster“ bezeichnet, und die darin enthaltene dunkle Materie wurde durch eine Methode namens „Schwache Gravitationslinse“ entdeckt. Durch Verfolgung von Verzerrungen im Licht beim Durchgang durch den Cluster können Astronomen eine Art Topografie erstellen Karte der Masse im Cluster, in der die „Hügel“ Orte mit starker Schwerkraft und die „Täler“ Orte mit schwacher Schwerkraft sind. Der Grund, warum dunkle Materie - die mysteriöse Substanz, die den größten Teil der Masse im Universum ausmacht - so schwer zu untersuchen ist, ist, dass sie kein Licht aussendet oder absorbiert. Aber es hat Schwerkraft, und so zeigt es sich in einer solchen topografischen Karte.
Der Bullet Cluster ist einer der besten Orte, um die Auswirkungen dunkler Materie zu beobachten, aber es ist nur ein Objekt. Ein Großteil der wirklichen Kraft schwacher Gravitationslinsen besteht darin, Tausende oder Millionen von Galaxien zu betrachten, die große Bereiche des Himmels bedecken.
Dazu brauchen wir große Teleskope, die den Kosmos detailliert abbilden können. Eines davon ist das Large Synoptic Survey Telescope (LSST), das in Chile im Bau ist und 2022 seinen Betrieb aufnehmen und bis 2032 laufen soll. Es ist ein ehrgeiziges Projekt, das letztendlich eine topografische Karte des Universums erstellen wird.
"[LSST] wird über einen Zeitraum von zehn Jahren ungefähr die Hälfte des Himmels beobachten", sagt Beth Willman, stellvertretende Direktorin von LSST. Das Observatorium hat "eine breite Palette wissenschaftlicher Ziele, von dunkler Energie und schwacher Linse über das Studium des Sonnensystems und der Milchstraße bis hin zur Untersuchung, wie sich der Nachthimmel mit der Zeit verändert."
Künstlerische Darstellung des Large Synoptic Survey Telescope, das derzeit in Chile gebaut wird (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Um die Struktur des Universums zu untersuchen, wenden Astronomen zwei grundlegende Strategien an: Tief gehen und weit gehen. Das Hubble-Weltraumteleskop zum Beispiel kann gut in die Tiefe vordringen: Durch sein Design kann es nach einigen der schwächsten Galaxien im Kosmos suchen. LSST wird dagegen weit gehen.
"Die Größe des Teleskops selbst ist nicht bemerkenswert", sagt Willman. LSST wird 27 Fuß im Durchmesser sein, was es in die mittlere Reichweite bestehender Teleskope bringt. „Das Einzigartige an der LSST-Instrumentierung ist das Sichtfeld der Kamera, die darauf platziert werden soll. Es ist ungefähr 40-mal so groß wie der Vollmond.“ Im Gegensatz dazu ist ein normales Teleskop genauso groß wie LSST Betrachten Sie einen Fleck des Himmels, der weniger als ein Viertel der Mondgröße beträgt.
Mit anderen Worten, LSST kombiniert die Art von Big-Picture-Bild des Himmels, die Sie mit einer normalen Digitalkamera erhalten würden, mit der Tiefenschärfe, die ein großes Teleskop bietet. Die Kombination wird atemberaubend sein und alles ist auf das einzigartige Design des Teleskops zurückzuführen.
LSST wird drei große Spiegel verwenden, während die meisten anderen großen Teleskope zwei Spiegel verwenden. (Es ist unmöglich, Objektive so groß zu machen, wie Astronomen es benötigen. Daher verwenden die meisten Observatorien Spiegel, die technisch in jeder Größe gebaut werden können.) Diese Spiegel sind so konstruiert, dass sie so viel Licht wie möglich auf die Kamera fokussieren, was satte 63 Zoll entspricht mit 3, 2 Milliarden Pixel.
Willman sagt: "Sobald es zusammengesetzt und am Himmel aufgestellt ist, wird es die größte Kamera sein, die für astronomische optische Beobachtungen verwendet wird."
Während gewöhnliche Kameras so konstruiert sind, dass sie die Farben und Lichtverhältnisse nachbilden, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, „sieht“ die LSST-Kamera fünf Farben. Einige dieser Farben überlappen die von den Netzhautzellen in unseren Augen gesehenen, aber sie umfassen auch Licht im infraroten und ultravioletten Teil des Spektrums.
Nach dem Urknall war das Universum ein heißes Durcheinander von Partikeln. Bald kühlte sich dieser Sumpf ab und dehnte sich bis zu einem Punkt aus, an dem sich die Partikel anziehen und zusammenkleben konnten, um die ersten Sterne und Galaxien zu bilden und ein riesiges kosmisches Netz zu bilden. Die Übergänge wuchsen zu großen Galaxienhaufen, die durch lange dünne Filamente verbunden und durch größtenteils leere Hohlräume getrennt waren. Laut Computersimulationen, die zeigen, wie dunkle Materie unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenklumpen sollte, ist dies zumindest unsere beste Vermutung.
Eine schwache Gravitationslinse ist eine gute Möglichkeit, diese Simulationen zu testen. Albert Einstein zeigte mathematisch, dass die Schwerkraft den Weg des Lichts beeinflusst und es leicht aus seiner geradlinigen Bewegung herauszieht. 1919 gelang es dem britischen Astronomen Arthur Eddington und seinen Kollegen, diesen Effekt zu messen. Dies war der erste große Triumph für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie.
Die Menge der Lichtbiegungen hängt von der Stärke des Gravitationsfeldes ab, das von der Masse, Größe und Form der Quelle abhängt. Kosmisch gesehen ist die Sonne klein und massearm, so dass sie das Licht nur geringfügig anstößt. Aber Galaxien haben Milliarden und Abermilliarden von Sternen, und Galaxienhaufen wie der Bullet Cluster bestehen aus Hunderten oder Tausenden von Galaxien, zusammen mit viel heißem Plasma und extra dunkler Materie, die sie alle zusammenhalten, und der kumulative Einfluss auf das Licht kann ziemlich bedeutend sein. (Witzige Tatsache: Einstein dachte nicht, dass Linsen tatsächlich nützlich wären, da er nur an Sterne dachte, nicht an Galaxien.)
Eine Dunkle-Materie-Karte, die von japanischen Astronomen mit schwachen Linsen erstellt wurde (Satoshi Miyazaki et al.) Starke Gravitationslinsen werden von sehr massiven Objekten erzeugt, die relativ wenig Platz beanspruchen. Ein Objekt mit der gleichen Masse, das sich jedoch über ein größeres Volumen erstreckt, lenkt das Licht immer noch ab, jedoch nicht so dramatisch. Dies ist im Wesentlichen eine schwache Gravitationslinse, die normalerweise nur als "schwache Linse" bezeichnet wird.
In jede Richtung, in die du in das Universum schaust, siehst du viele Galaxien. Die entferntesten Galaxien sind möglicherweise zu schwach, um sie zu sehen, aber wir sehen immer noch, wie ein Teil ihres Lichts als Hintergrundlicht durchgefiltert wird. Wenn dieses Licht auf dem Weg zur Erde eine näher gelegene Galaxie oder einen Galaxienhaufen erreicht, wird dieses Licht durch schwache Linsenwirkung etwas heller. Dies ist ein kleiner Effekt (deshalb sagen wir immerhin „schwach“), aber Astronomen können ihn verwenden, um die Masse im Universum abzubilden.
Die rund 100 Milliarden Galaxien im beobachtbaren Universum bieten viele Möglichkeiten für schwache Linsenbildung, und hier kommen Observatorien wie die LSST ins Spiel. Im Gegensatz zu den meisten anderen Observatorien wird die LSST große Bereiche des Himmels in einem festgelegten Muster überwachen, anstatt einzelne zuzulassen Astronomen bestimmen, wohin das Teleskop zeigt. Auf diese Weise ähnelt es dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS), dem bahnbrechenden Observatorium, das seit fast 20 Jahren ein Segen für Astronomen ist.
Ein Hauptziel von Projekten wie SDSS und LSST ist die Zählung der galaktischen Bevölkerung. Wie viele Galaxien gibt es da draußen und wie groß sind sie? Sind sie zufällig über den Himmel verstreut oder fallen sie in Muster? Sind die scheinbaren Hohlräume real, dh Orte mit wenigen oder gar keinen Galaxien?
Die Anzahl und Verteilung der Galaxien gibt Auskunft über die größten kosmischen Geheimnisse. Dieselben Computersimulationen, die das kosmische Netz beschreiben, sagen uns beispielsweise, dass wir mehr kleine Galaxien sehen sollten, als in unseren Teleskopen zu sehen sind, und schwache Linsen können uns dabei helfen, sie zu finden.
Darüber hinaus ist die Kartierung von Galaxien ein Leitfaden für die Dunkle Energie, der Name, den wir der sich beschleunigenden Expansion des Universums geben. Wenn die Dunkle Energie die ganze Zeit konstant war oder an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Stärken aufweist, sollte das kosmische Netz dies widerspiegeln. Mit anderen Worten, die topografische Karte von schwachen Linsen kann uns helfen, eine der größten Fragen von allen zu beantworten: Was ist dunkle Energie?
Schließlich könnte uns eine schwache Linse bei den Partikeln mit der geringsten Masse helfen, die wir kennen: Neutrinos. Diese sich schnell bewegenden Teilchen haften nicht in Galaxien, während sie sich bilden, sondern sie tragen Energie und Masse weg, während sie gehen. Wenn sie zu viel wegnehmen, wachsen Galaxien nicht so groß, sodass schwache Linsenuntersuchungen uns helfen könnten, herauszufinden, wie viel Massenneutrinos haben.
Wie SDSS wird auch LSST seine Daten an Astronomen weitergeben, unabhängig davon, ob sie Mitglieder der Kollaboration sind, so dass interessierte Wissenschaftler sie für ihre Forschung verwenden können.
"Wenn Sie das Teleskop im Vermessungsmodus betreiben und dann diese umfangreichen, hochgradig kalibrierten Datenprodukte an die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft ausliefern, wird LSST zu der produktivsten Einrichtung in der Geschichte der Astronomie", so Willman. "Das ist, was ich sowieso anstrebe."
Die Kraft der Astronomie stützt sich auf unerwartete Weise auf interessante Ideen, von denen wir einst glaubten, dass sie nicht nützlich sind. Eine schwache Linse gibt uns eine indirekte Möglichkeit, unsichtbare oder sehr kleine Dinge zu sehen. Für etwas, das als "schwach" bezeichnet wird, ist schwaches Lensing ein starker Verbündeter in unserem Bestreben, das Universum zu verstehen.
