https://frosthead.com

„Slabo leće“ pomaže astronomima da mapiraju masu svemira

U običnoj vidljivoj svjetlosti ovaj skup galaksija ne izgleda mnogo. Postoje veći grozdovi s većim i dramatičnijim galaksijama u njima. Ali ima više ove slike od galaksija, čak i pri vidljivoj svjetlosti. Gravitacija grozda povećava i izobličava svjetlost koja prolazi blizu njega, a mapiranje tog izobličenja otkriva nešto o tvari obično skrivanoj od nas: tamnoj materiji.

Ova zbirka galaksija poznato se naziva „Bullet Cluster“, a tamna tvar unutar nje otkrivena je metodom koja se naziva „slabim gravitacijskim lećama.“ Prateći izobličenja svjetlosti tijekom prolaska kroz klaster, astronomi mogu stvoriti neku vrstu topografske karta mase u grozdu, gdje su "brda" mjesta jake gravitacije, a "doline" su mjesta slabe gravitacije. Razlog tamne materije - tajanstvena supstanca koja čini većinu mase u svemiru - toliko je težak za proučavanje, jer ne emitira i ne apsorbira svjetlost. Ali ima gravitaciju, pa se stoga prikazuje na topografskoj karti ove vrste.

Bullet grozd je jedno od najboljih mjesta za vidjeti učinke tamne materije, ali to je samo jedan objekt. Velik dio stvarne snage slabog gravitacijskog sočiva uključuje gledanje tisuća ili milijuna galaksija koje pokrivaju velike mrlje neba.

Da bismo to postigli, potrebni su nam veliki teleskopi koji su sposobni detaljno mapirati svemir. Jedan od njih je Veliki sinoptički istraživački teleskop (LSST), koji se gradi u Čileu, a trebao bi započeti s radom 2022. godine i trajati do 2032. To je ambiciozan projekt koji će u konačnici stvoriti topografsku kartu svemira.

"[LSST] će promatrati otprilike pola neba tijekom deset godina, " kaže zamjenica ravnatelja LSST-a Beth Willman. Opservatorij ima "širok raspon znanstvenih ciljeva, od tamne energije i slabog (gravitacijskog) sočiva, do proučavanja Sunčevog sustava, do proučavanja Mliječnog puta, do proučavanja kako se noćno nebo mijenja s vremenom."

Teleskop velikog sinoptičkog istraživanja Umjetnik donio Veliki sinoptički istraživački teleskop, koji se trenutno gradi u Čileu (Michael Mullen Design, LSST Corporation)

Da bi proučili strukturu svemira, astronomi koriste dvije osnovne strategije: duboko i široko. Hubble svemirski teleskop, na primjer, dobar je korak s dubinom: njegov dizajn omogućuje traženje nekih od najsjajnijih galaksija u kozmosu. LSST će, s druge strane, ići široko.

"Veličina samog teleskopa nije izvanredna", kaže Willman. LSST će biti promjera 27 stopa, što ga stavlja u sredinu raspona postojećih teleskopa. „Jedinstveni dio instrumentacije LSST-a je vidno polje [njegove] kamere koja će se na njega staviti, što je otprilike 40 puta veće od punog mjeseca.“ Nasuprot tome, normalni teleskop iste veličine kao LSST pogledajte mrlje neba manje od jedne četvrtine Mjesečeve veličine.

Drugim riječima, LSST će kombinirati vrstu velike slike neba koju biste dobili pomoću normalnog digitalnog fotoaparata, s dubinom vida koju pruža veliki teleskop. Kombinacija će ostati bez daha, a sve je to zahvaljujući jedinstvenom dizajnu teleskopa.

LSST će koristiti tri velika ogledala, gdje većina drugih velikih teleskopa koristi dva ogledala. (Nemoguće je napraviti leće onoliko koliko astronomi trebaju, tako da većina opservatorija koristi ogledala koja se tehnički mogu izraditi u bilo koju veličinu.) Ta su ogledala dizajnirana da fokusiraju što više svjetla na kameru koja će biti nevjerojatnih 63 inča preko 3, 2 milijarde piksela.

Willman kaže, "Jednom kada se sastavi i postavi na nebo, to će biti najveća kamera koja se koristi za astronomska optička promatranja."

Dok su obične kamere dizajnirane za ponovno stvaranje boja i razine svjetlosti koje ljudsko oko može uočiti, LSST-ova kamera "vidjet će" pet boja. Neke od tih boja preklapaju se s onima koje vide stanice mrežnice u našim očima, ali također uključuju svjetlost u infracrvenom i ultraljubičastom dijelu spektra.

Nakon Velikog praska, svemir je bio vrući nered - od čestica. Ubrzo se ta trema ohladila i proširila do točke u kojoj su čestice mogle početi privlačiti jedna drugu, lijepivši se zajedno u tvorbu prvih zvijezda i galaksija i tvoreći ogromnu kozmičku mrežu. Čiji su spojevi prerasli u velike galaksije, povezane dugim tankim vlaknima, razdvojene prazninama. Barem je to naša najbolja pretpostavka, prema računalnim simulacijama koje pokazuju kako bi se tamna tvar trebala skupiti pod težinom gravitacije.

Slabo gravitacijsko sočivanje ispada da je zaista dobar način za testiranje ovih simulacija. Albert Einstein pokazao je matematički da gravitacija utječe na svjetlosni put, lagano ga izvlačeći iz svog pravolinijskog gibanja. Britanski astronom Arthur Eddington i njegovi kolege 1919. godine uspješno su izmjerili ovaj učinak u onome što je bio prvi veliki trijumf Einsteinove teorije opće relativnosti.

Količina svjetlosnih zavoja ovisi o snazi ​​gravitacijskog polja s kojim se susreće, a regulira ga masa, veličina i oblik izvora. U kozmičkom smislu, sunce je malo i malo mase, tako da gurne svjetlost samo u maloj količini. Ali galaksije imaju milijarde i milijarde zvijezda, a nakupine galaksija poput Bullet Clustera sastoje se od stotina ili tisuća galaksija, zajedno s obiljem vruće plazme i dodatne tamne materije koja ih drži sve zajedno, a kumulativni utjecaj na svjetlost može biti prilično značajan. (Zabavna činjenica: Einstein nije mislio da je leće zapravo korisno, jer je razmišljao samo u obliku zvijezda, a ne galaksija.)

karta tamne materije Karta tamne materije, koju su stvorili japanski astronomi pomoću slabog leća (Satoshi Miyazaki, i dr.)

Snažna gravitacijska leća proizvode se vrlo masivni predmeti koji zauzimaju relativno malo prostora; objekt iste mase, ali raširen na većem volumenu, i dalje će odbijati svjetlost, ali ne tako dramatično. To je slabo gravitacijsko sočivo - obično se samo naziva „slabo leće“ - u suštini.

Svakim smjerom koji pogledate u svemir, vidite puno galaksija. Možda su najudaljenije galaksije previše slabo vidljive, ali neke njihove svjetlosti još uvijek promatramo kao pozadinsku svjetlost. Kad ta svjetlost dosegne bližu galaksiju ili galaksije na putu ka Zemlji, slaba leća će tu svjetlost učiniti malo svjetlijom. To je mali učinak (zato uostalom kažemo i "slab"), ali astronomi ga mogu koristiti za mapiranje mase u svemiru.

100 milijardi ili nešto više galaksija u promatranom svemiru pružaju puno mogućnosti za slaba leća i tu dolaze promatrači poput LSST-a. Za razliku od većine drugih opservatorija, LSST će pregledavati velike zakrpe neba u postavljenom obrascu, umjesto da pušta pojedine astronomi diktiraju gdje je teleskop usmjeren. Na ovaj način podsjeća na Sloan Digital Sky Survey (SDSS), pionirsku opservatoriju koja je astronomima bila blagodat već gotovo 20 godina.

Glavni cilj projekata poput SDSS i LSST je popis galaktičkog stanovništva. Koliko je galaksija vani i koliko su velike? Jesu li se nasumično raštrkani po nebu ili padaju u obrasce? Jesu li prividne praznine stvarne - to jest mjesta s malo galaksija ili ih uopće nema?

Broj i distribucija galaksija daju podatke o najvećim kozmičkim misterijama. Na primjer, iste računalne simulacije koje opisuju kozmički web govore nam da bismo trebali vidjeti više malih galaksija nego što se pojavljuju u našim teleskopima, a slaba leća može nam pomoći da ih pronađemo.

Uz to, mapiranje galaksija je jedan vodič za tamnu energiju, ime koje dajemo ubrzavanju širenja svemira. Ako je tamna energija konstantna cijelo vrijeme ili ako ima različite snage na različitim mjestima i vremenima, kozmička mreža to bi trebala odražavati. Drugim riječima, topografska karta slabog leća može nam pomoći da odgovorimo na jedno od najvećih pitanja svih: samo što je tamna energija?

Napokon, slaba leća mogla bi nam pomoći s česticama najmanje mase koje poznajemo: neutrini. Ove čestice koje se brzo kreću ne zadržavaju se u galaksijama kako se formiraju, već odnose energiju i masu kako odlaze. Ako im oduzmu previše, galaksije ne rastu kao velike, pa bi nam slaba istraživanja leća mogla pomoći da shvatimo koliko mase imaju neutrini.

Kao i SDSS, LSST će svoje podatke objaviti astronomima bez obzira jesu li članovi suradnje, omogućujući bilo kojem zainteresiranom znanstveniku da ga koristi u svojim istraživanjima.

"Uključivanje teleskopa u anketnom modu, a zatim iznošenje tih opsežnih kalibriranih podataka s visokom razinom u cijelu znanstvenu zajednicu, stvarno će se kombinirati kako bi LSST bio najproduktivnije postrojenje u povijesti astronomije", kaže Willman. "To je ono što ionako ciljam."

Moć astronomije koristi zanimljive ideje - čak i one za koje smo nekad mislili da neće biti korisne - na neočekivane načine. Slabo leće pruža nam neizravan način da vidimo nevidljive ili vrlo sitne stvari. Za nešto što se naziva „slabim“, slabo leće snažan je saveznik u našem nastojanju da razumijemo svemir.

„Slabo leće“ pomaže astronomima da mapiraju masu svemira