In gewoon zichtbaar licht lijkt dit cluster van sterrenstelsels niet veel. Er zijn grotere clusters met grotere en meer dramatisch ogende sterrenstelsels. Maar dit beeld bevat meer dan sterrenstelsels, zelfs in zichtbaar licht. De zwaartekracht van het cluster vergroot en vervormt het licht dat in de buurt ervan passeert, en het in kaart brengen van die vervorming onthult iets over een stof die gewoonlijk voor ons verborgen is: donkere materie.
Deze verzameling sterrenstelsels wordt beroemd de 'Bullet Cluster' genoemd en de donkere materie erin werd gedetecteerd via een methode die 'zwakke gravitatielensing' wordt genoemd. Door vervormingen in het licht te volgen terwijl deze door de cluster gaan, kunnen astronomen een soort topografische gegevens maken kaart van de massa in het cluster, waar de "heuvels" plaatsen van sterke zwaartekracht zijn en "valleien" plaatsen van zwakke zwaartekracht zijn. De reden dat donkere materie - de mysterieuze substantie die het grootste deel van de massa in het universum uitmaakt - zo moeilijk te bestuderen is, is omdat het geen licht uitzendt of absorbeert. Maar het heeft zwaartekracht, en dus verschijnt het in een dergelijke topografische kaart.
De Bullet Cluster is een van de beste plaatsen om de effecten van donkere materie te zien, maar het is maar één object. Veel van de echte kracht van zwakke zwaartekrachtlenzen is kijken naar duizenden of miljoenen sterrenstelsels die grote stukken hemel bedekken.
Om dat te doen, hebben we grote telescopen nodig die de kosmos in detail in kaart kunnen brengen. Een daarvan is de Large Synoptic Survey Telescope (LSST), die in aanbouw is in Chili, en in 2022 zou moeten beginnen met werken tot 2032. Het is een ambitieus project dat uiteindelijk een topografische kaart van het universum zal creëren.
"[LSST] gaat ongeveer de helft van de lucht observeren gedurende een periode van tien jaar", zegt LSST-adjunct-directeur Beth Willman. Het observatorium heeft "een breed scala aan wetenschappelijke doelen, van donkere energie en zwakke [zwaartekracht] lenzen, tot het bestuderen van het zonnestelsel, tot het bestuderen van de Melkweg, tot het bestuderen van hoe de nachtelijke hemel met de tijd verandert."
Artist's rendering van de Large Synoptic Survey Telescope, momenteel in aanbouw in Chili (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Om de structuur van het universum te bestuderen, gebruiken astronomen twee basisstrategieën: diep gaan en breed gaan. De Hubble Space Telescope is bijvoorbeeld goed in het diepgaan: het ontwerp laat het zoeken naar enkele van de zwakste sterrenstelsels in de kosmos. LSST daarentegen zal wijd gaan.
"De grootte van de telescoop zelf is niet opmerkelijk", zegt Willman. LSST zal 27 voet in diameter zijn, wat het in het middenbereik van bestaande telescopen plaatst. "Het unieke deel van LSST's instrumentatie is het gezichtsveld van [zijn] camera dat erop zal worden geplaatst, die ongeveer 40 keer de grootte van de volle maan is." Daarentegen zou een normale telescoop even groot zijn als LSST bekijk een stukje lucht op minder dan een kwart van de maan.
Met andere woorden, LSST combineert het soort grootbeeld van de lucht dat je zou krijgen met een normale digitale camera, met de scherptediepte van een grote telescoop. De combinatie zal adembenemend zijn en alles komt door het unieke ontwerp van de telescoop.
LSST zal drie grote spiegels gebruiken, terwijl de meeste andere grote telescopen twee spiegels gebruiken. (Het is onmogelijk om lenzen zo groot te maken als astronomen nodig hebben, dus de meeste observatoria gebruiken spiegels, die technisch op elke maat kunnen worden gebouwd.) Die spiegels zijn ontworpen om zoveel mogelijk licht op de camera te focussen, maar liefst 63 inch over, met 3, 2 miljard pixels.
Willman zegt: "Als het eenmaal is samengesteld en in de lucht wordt geplaatst, wordt het de grootste camera die wordt gebruikt voor astronomische optische waarnemingen."
Terwijl gewone camera's zijn ontworpen om de kleuren en lichtniveaus te reproduceren die door het menselijk oog kunnen worden waargenomen, zal de camera van LSST vijf kleuren "zien". Sommige van die kleuren overlappen die gezien door de retinale cellen in onze ogen, maar ze omvatten ook licht in het infrarode en ultraviolette deel van het spectrum.
Na de oerknal was het universum een hete puinhoop - van deeltjes. Al snel koelde dat moeras af en breidde het uit tot het punt waar de deeltjes elkaar konden beginnen aan te trekken, aan elkaar kleven om de eerste sterren en sterrenstelsels te vormen en een enorm kosmisch web te vormen. De kruispunten daarvan groeiden uit tot grote clusters van sterrenstelsels, verbonden door lange dunne filamenten en gescheiden door overwegend lege holten. Dat is tenminste onze beste gok, volgens computersimulaties die laten zien hoe donkere materie samen zou moeten klonteren onder de aantrekkingskracht van de zwaartekracht.
Zwakke zwaartekrachtlenzen blijken echt een goede manier om deze simulaties te testen. Albert Einstein liet wiskundig zien dat zwaartekracht het pad van licht beïnvloedt en het enigszins uit zijn rechte lijn trekt. In 1919 hebben de Britse astronoom Arthur Eddington en zijn collega's dit effect met succes gemeten, in wat de eerste grote triomf was voor Einsteins algemene relativiteitstheorie.
De hoeveelheid licht die wordt gebogen hangt af van de sterkte van het zwaartekrachtveld dat het tegenkomt, dat wordt bepaald door de massa, de grootte en de vorm van de bron. In kosmische termen is de zon klein en laag in massa, dus duwt hij het licht met slechts een kleine hoeveelheid. Maar sterrenstelsels hebben miljarden en miljarden sterren, en sterrenstelsels zoals de Bullet Cluster bestaan uit honderden of duizenden sterrenstelsels, samen met veel hete plasma en extra donkere materie die ze allemaal bij elkaar houden en de cumulatieve invloed op licht kan behoorlijk aanzienlijk zijn. (Leuk feit: Einstein dacht niet dat lensing echt nuttig zou zijn, omdat hij er alleen aan dacht in termen van sterren, niet sterrenstelsels.)
Een kaart met donkere materie, gemaakt door Japanse astronomen met zwakke lenzen (Satoshi Miyazaki, et al.) Sterke zwaartekrachtlenzen worden geproduceerd door zeer massieve objecten die relatief weinig ruimte innemen; een object met dezelfde massa maar verspreid over een groter volume zal nog steeds licht afbuigen, maar niet zo dramatisch. Dat is zwakke zwaartekracht lensing - meestal gewoon "zwakke lensing" genoemd - in essentie.
Elke richting waarin je in het universum kijkt, zie je veel sterrenstelsels. De meest verafgelegen sterrenstelsels zijn misschien te zwak om te zien, maar we zien nog steeds een deel van hun licht doorfilterd als achtergrondlicht. Wanneer dat licht op weg naar de aarde een dichter sterrenstelsel of sterrenstelsel bereikt, maakt zwakke lensing dat licht een beetje helderder. Dit is een klein effect (daarom zeggen we tenslotte 'zwak'), maar astronomen kunnen het gebruiken om de massa in het universum in kaart te brengen.
De 100 miljard sterrenstelsels in het waarneembare universum bieden veel mogelijkheden voor zwakke lenzen, en dat is waar observatoria zoals LSST binnenkomen. In tegenstelling tot de meeste andere observatoria, zal LSST grote stukken van de hemel in een vast patroon onderzoeken, in plaats van individuele astronomen dicteren waar de telescoop wijst. Op deze manier lijkt het op de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), het baanbrekende observatorium dat astronomen al bijna 20 jaar een zegen is.
Een belangrijk doel van projecten zoals SDSS en LSST is een telling van de galactische populatie. Hoeveel sterrenstelsels zijn er en hoe massief zijn ze? Zijn ze willekeurig verspreid over de lucht, of vallen ze in patronen? Zijn de schijnbare leegten echt - dat wil zeggen, plaatsen met weinig of helemaal geen sterrenstelsels?
Het aantal en de verdeling van sterrenstelsels geeft informatie over de grootste kosmische mysteries. Bijvoorbeeld, dezelfde computersimulaties die het kosmische web beschrijven, vertellen ons dat we meer kleine sterrenstelsels zouden moeten zien dan in onze telescopen verschijnen, en zwakke lenzen kunnen ons helpen deze te vinden.
Bovendien is het in kaart brengen van sterrenstelsels een gids voor donkere energie, de naam die we de versnellende uitbreiding van het universum geven. Als donkere energie de hele tijd constant is geweest, of als het verschillende sterktes op verschillende plaatsen en tijden heeft, zou het kosmische web dat moeten weerspiegelen. Met andere woorden, de topografische kaart van zwakke lenzen kan ons helpen een van de grootste vragen van allemaal te beantwoorden: precies wat is donkere energie?
Ten slotte kan een zwakke lens ons helpen met de deeltjes met de laagste massa die we kennen: neutrino's. Deze snel bewegende deeltjes blijven niet hangen in sterrenstelsels terwijl ze zich vormen, maar ze voeren onderweg energie en massa af. Als ze te veel wegnemen, worden sterrenstelsels niet zo groot, dus enquêtes met zwakke lenzen kunnen ons helpen te bepalen hoeveel massa-neutrino's hebben.
Net als SDSS zal LSST zijn gegevens vrijgeven aan astronomen ongeacht of zij lid zijn van de samenwerking, waardoor geïnteresseerde wetenschappers deze kunnen gebruiken in hun onderzoek.
"De telescoop in de enquêtemodus laten werken en vervolgens die uitgebreide, gekalibreerde dataproducten op hoog niveau naar de hele wetenschappelijke gemeenschap brengen, gaat echt combineren om van LSST de meest productieve faciliteit in de geschiedenis van de astronomie te maken", zegt Willman. "Dat is waar ik toch naar streef."
De kracht van astronomie is het gebruiken van interessante ideeën - zelfs ideeën waarvan we ooit dachten dat ze niet nuttig zouden zijn - op onverwachte manieren. Zwakke lensing geeft ons een indirecte manier om onzichtbare of zeer kleine dingen te zien. Want iets dat 'zwak' wordt genoemd, is zwakke lenzen een sterke bondgenoot in onze zoektocht om het universum te begrijpen.
