Dalam cahaya tampak biasa, gugusan galaksi ini tidak terlihat banyak. Ada kelompok yang lebih besar dengan galaksi yang lebih besar dan lebih dramatis. Tetapi ada lebih banyak gambar ini dari galaksi, bahkan dalam cahaya tampak. Gravitasi dari gugus memperbesar dan mendistorsi cahaya yang lewat di dekatnya, dan memetakan distorsi itu mengungkapkan sesuatu tentang suatu zat yang biasanya tersembunyi dari kita: materi gelap.
Kumpulan galaksi ini terkenal disebut "Bullet Cluster, " dan materi gelap di dalamnya terdeteksi melalui metode yang disebut "pelensaan gravitasi lemah." Dengan melacak distorsi dalam cahaya ketika melewati cluster, para astronom dapat membuat semacam topografi. peta massa di cluster, di mana "bukit" adalah tempat gravitasi kuat dan "lembah" adalah tempat gravitasi lemah. Alasan materi gelap — substansi misterius yang membentuk sebagian besar massa di alam semesta — begitu sulit dipelajari adalah karena ia tidak memancarkan atau menyerap cahaya. Tetapi ia memang memiliki gravitasi, dan dengan demikian ia muncul dalam peta topografi semacam ini.
Cluster Bullet adalah salah satu tempat terbaik untuk melihat efek materi gelap, tetapi hanya satu objek. Banyak kekuatan nyata dari pelensaan gravitasi yang lemah melibatkan melihat ribuan atau jutaan galaksi yang menutupi bidang-bidang besar langit.
Untuk melakukan itu, kita membutuhkan teleskop besar yang mampu memetakan kosmos secara detail. Salah satunya adalah Large Synoptic Survey Telescope (LSST), yang sedang dibangun di Chili, dan akan mulai beroperasi pada 2022 dan berjalan hingga 2032. Ini adalah proyek ambisius yang pada akhirnya akan membuat peta topografi alam semesta.
"[LSST] akan mengamati sekitar setengah dari langit selama sepuluh tahun, " kata wakil direktur LSST, Beth Willman. Observatorium ini memiliki "berbagai tujuan sains, dari energi gelap dan lensa [gravitasi] yang lemah, untuk mempelajari tata surya, untuk mempelajari Bimasakti, untuk mempelajari bagaimana langit malam berubah seiring waktu."
Rendering Artis dari Teleskop Survei Sinoptik Besar, saat ini sedang dibangun di Chili (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Untuk mempelajari struktur alam semesta, para astronom menggunakan dua strategi dasar: pergi jauh, dan melebar. Teleskop Luar Angkasa Hubble, misalnya, bagus dalam hal kedalaman: desainnya memungkinkannya mencari beberapa galaksi yang paling samar di kosmos. LSST, di sisi lain, akan melebar.
"Ukuran teleskop itu sendiri tidak luar biasa, " kata Willman. LSST akan berdiameter 27 kaki, yang menempatkannya di kisaran tengah teleskop yang ada. "Bagian unik dari instrumentasi LSST adalah bidang pandang dari kamera yang akan diletakkan di atasnya, yang kira-kira 40 kali ukuran bulan purnama." Sebaliknya, teleskop normal dengan ukuran yang sama dengan LSST akan lihat sepetak langit kurang dari seperempat ukuran bulan.
Dengan kata lain, LSST akan menggabungkan jenis gambar besar dari langit yang Anda dapatkan dengan menggunakan kamera digital normal, dengan kedalaman penglihatan yang disediakan oleh teleskop besar. Kombinasi ini akan menakjubkan, dan itu semua karena desain teleskop yang unik.
LSST akan menggunakan tiga cermin besar, di mana sebagian besar teleskop besar lainnya menggunakan dua cermin. (Tidak mungkin untuk membuat lensa sebesar yang dibutuhkan para astronom, sehingga sebagian besar observatorium menggunakan cermin, yang secara teknis dapat dibangun untuk ukuran berapa pun.) Cermin-cermin itu dirancang untuk memfokuskan cahaya sebanyak mungkin pada kamera, yang akan berukuran 63 inci kekalahan seberang, dengan 3, 2 miliar piksel.
Willman berkata, "Setelah disatukan dan digunakan ke langit, itu akan menjadi kamera terbesar yang digunakan untuk pengamatan optik astronomi."
Sementara kamera biasa dirancang untuk menciptakan kembali warna dan tingkat cahaya yang dapat dirasakan oleh mata manusia, kamera LSST akan "melihat" lima warna. Beberapa warna tersebut tumpang tindih dengan yang terlihat oleh sel retina di mata kita, tetapi mereka juga termasuk cahaya di bagian inframerah dan ultraviolet spektrum.
Setelah Big Bang, alam semesta berantakan - partikel-partikel. Segera, rawa itu mendingin dan meluas ke titik di mana partikel-partikel itu dapat mulai saling menarik, bersatu membentuk bintang dan galaksi pertama dan membentuk jaring kosmik yang sangat besar. Persimpangan yang tumbuh menjadi kelompok galaksi besar, dihubungkan oleh filamen tipis yang panjang, dan dipisahkan oleh rongga yang sebagian besar kosong. Setidaknya itulah tebakan terbaik kami, menurut simulasi komputer yang menunjukkan bagaimana materi gelap harus berkumpul bersama di bawah tarikan gravitasi.
Lensing gravitasi yang lemah ternyata menjadi cara yang sangat baik untuk menguji simulasi ini. Albert Einstein menunjukkan secara matematis bahwa gravitasi mempengaruhi jalur cahaya, menariknya sedikit keluar dari gerakan garis lurusnya. Pada tahun 1919, astronom Inggris Arthur Eddington dan rekan-rekannya berhasil mengukur efek ini, yang merupakan kemenangan besar pertama bagi teori relativitas umum Einstein.
Jumlah tikungan cahaya tergantung pada kekuatan medan gravitasi yang dihadapinya, yang diatur oleh massa, ukuran, dan bentuk sumber. Dalam istilah kosmik, matahari kecil dan memiliki massa yang rendah, sehingga hanya mendorong sedikit cahaya. Tetapi galaksi memiliki miliaran dan milyaran bintang, dan gugusan galaksi seperti Cluster Bullet terdiri dari ratusan atau ribuan galaksi, bersama dengan banyak plasma panas dan materi gelap tambahan yang menyatukan mereka semua dan pengaruh kumulatif pada cahaya bisa sangat signifikan. (Fakta menyenangkan: Einstein tidak berpikir bahwa pelensaan sebenarnya akan berguna, karena dia hanya memikirkannya dalam hal bintang, bukan galaksi.)
Peta materi gelap, dibuat oleh para astronom Jepang menggunakan pelensaan lemah (Satoshi Miyazaki, et al.) Pelensaan gravitasi yang kuat dihasilkan oleh objek yang sangat masif yang memakan ruang relatif sedikit; sebuah benda dengan massa yang sama tetapi tersebar di volume yang lebih besar masih akan membelokkan cahaya, tetapi tidak secara dramatis. Itulah pelensaan gravitasi yang lemah — biasanya hanya disebut “pelensaan lemah” — pada intinya.
Setiap arah yang Anda lihat di alam semesta, Anda melihat banyak galaksi. Galaksi-galaksi yang paling jauh mungkin terlalu redup untuk dilihat, tetapi kita masih melihat sebagian cahayanya menyaring sebagai cahaya latar. Ketika cahaya itu mencapai galaksi yang lebih dekat atau gugusan galaksi dalam perjalanan ke Bumi, pelensaan yang lemah akan membuat cahaya itu sedikit lebih terang. Ini adalah efek kecil (itu sebabnya kami katakan "lemah", tetapi, para astronom dapat menggunakannya untuk memetakan massa di alam semesta.
100 miliar galaksi di alam semesta yang teramati menyediakan banyak peluang untuk pelensaan yang lemah, dan di situlah observatorium seperti LSST masuk. Tidak seperti kebanyakan observatorium lainnya, LSST akan mensurvei bidang besar langit dalam pola yang ditetapkan, daripada membiarkan individu. astronom menentukan di mana titik teleskop. Dengan cara ini menyerupai Sloan Digital Sky Survey (SDSS), observatorium perintis yang telah menjadi anugerah bagi para astronom selama hampir 20 tahun.
Tujuan utama proyek-proyek seperti SDSS dan LSST adalah sensus populasi galaksi. Berapa banyak galaksi di luar sana, dan seberapa besar mereka? Apakah mereka tersebar secara acak di langit, atau apakah mereka jatuh ke dalam pola? Apakah kekosongan nyata itu nyata — yaitu, tempat dengan sedikit atau tanpa galaksi sama sekali?
Jumlah dan distribusi galaksi memberikan informasi tentang misteri kosmik terbesar. Sebagai contoh, simulasi komputer yang sama yang menggambarkan web kosmik memberi tahu kita bahwa kita seharusnya melihat lebih banyak galaksi daripada muncul di teleskop kita, dan pelensaan yang lemah dapat membantu kita menemukannya.
Selain itu, pemetaan galaksi adalah salah satu panduan untuk energi gelap, nama yang kami berikan untuk perluasan yang semakin cepat dari alam semesta. Jika energi gelap konstan setiap saat, atau jika memiliki kekuatan berbeda di tempat dan waktu yang berbeda, jaring kosmik harus mencerminkannya. Dengan kata lain, peta topografi dari pelensaan lemah dapat membantu kita menjawab salah satu pertanyaan terbesar: apa itu energi gelap?
Akhirnya, pelensaan yang lemah bisa membantu kita dengan partikel bermassa terendah yang kita tahu: neutrino. Partikel-partikel yang bergerak cepat ini tidak menempel di galaksi saat mereka terbentuk, tetapi mereka membawa energi dan massa saat mereka pergi. Jika mereka mengambil terlalu banyak, galaksi tidak tumbuh sebesar itu, jadi survei pelensaan yang lemah dapat membantu kita mengetahui berapa banyak yang dimiliki neutrino massa.
Seperti SDSS, LSST akan merilis datanya kepada para astronom terlepas dari apakah mereka anggota kolaborasi, memungkinkan ilmuwan yang tertarik untuk menggunakannya dalam penelitian mereka.
"Menjalankan teleskop dalam mode survei, dan kemudian mengeluarkan produk data terkalibrasi tingkat tinggi yang luas ke seluruh komunitas ilmiah benar-benar akan digabungkan untuk menjadikan LSST menjadi fasilitas paling produktif dalam sejarah astronomi, " kata Willman. "Lagipula itulah yang aku tuju."
Kekuatan astronomi menggunakan ide-ide menarik — bahkan yang dulu kami pikir tidak akan berguna — dengan cara yang tak terduga. Lensa lemah memberi kita cara tidak langsung untuk melihat hal-hal yang tidak terlihat atau sangat kecil. Untuk sesuatu yang disebut "lemah, " lensa lemah adalah sekutu yang kuat dalam upaya kita untuk memahami alam semesta.
