Na luz visível comum, esse aglomerado de galáxias não parece muito. Existem aglomerados maiores com galáxias maiores e mais dramáticas. Mas há mais nessa imagem do que galáxias, mesmo na luz visível. A gravidade do aglomerado amplia e distorce a luz que passa perto dele, e o mapeamento dessa distorção revela algo sobre uma substância normalmente escondida de nós: a matéria escura.
Esta coleção de galáxias é conhecida como "Cluster de balas" e a matéria escura foi detectada por meio de um método chamado "lente gravitacional fraca". Ao rastrear distorções na luz ao passar pelo aglomerado, os astrônomos podem criar uma espécie de topografia mapa da massa no aglomerado, onde as “colinas” são locais de forte gravidade e “vales” são locais de fraca gravidade. A razão pela qual a matéria escura - a substância misteriosa que compõe a maior parte da massa no universo - é tão difícil de estudar é porque ela não emite ou absorve luz. Mas tem gravidade e, portanto, aparece em um mapa topográfico desse tipo.
O Bullet Cluster é um dos melhores lugares para ver os efeitos da matéria escura, mas é apenas um objeto. Grande parte do poder real das lentes gravitacionais fracas envolve olhar para milhares ou milhões de galáxias cobrindo grandes manchas do céu.
Para isso, precisamos de grandes telescópios capazes de mapear o cosmos em detalhes. Um deles é o Telescópio de Levantamento Sinóptico Grande (LSST), que está em construção no Chile, e deve começar a operar em 2022 e funcionar até 2032. É um projeto ambicioso que acabará por criar um mapa topográfico do universo.
“[LSST] vai observar aproximadamente metade do céu ao longo de um período de dez anos”, diz o vice-diretor da LSST, Beth Willman. O observatório tem “uma ampla gama de objetivos científicos, desde energia escura e lente [gravitacional] fraca, ao estudo do sistema solar, ao estudo da Via Láctea, ao estudo de como o céu noturno muda com o tempo”.
Representação artística do Grande Telescópio de Levantamento Sinótico, atualmente em construção no Chile (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Para estudar a estrutura do universo, os astrônomos empregam duas estratégias básicas: indo fundo e indo longe. O Telescópio Espacial Hubble, por exemplo, é bom em ir fundo: seu design permite que ele procure por algumas das mais frágeis galáxias do cosmos. O LSST, por outro lado, vai longe.
"O tamanho do telescópio em si não é notável", diz Willman. O LSST terá 27 pés de diâmetro, o que o coloca na faixa intermediária dos telescópios existentes. “A parte exclusiva da instrumentação do LSST é o campo de visão da câmera que será colocada, que é aproximadamente 40 vezes o tamanho da lua cheia.” Em contraste, um telescópio normal do mesmo tamanho do LSST veja um pedaço do céu com menos de um quarto do tamanho da lua.
Em outras palavras, o LSST combinará o tipo de imagem grande do céu que você obteria usando uma câmera digital normal, com a profundidade de visão fornecida por um grande telescópio. A combinação será de tirar o fôlego e tudo isso devido ao design exclusivo do telescópio.
O LSST empregará três grandes espelhos, onde a maioria dos outros grandes telescópios usa dois espelhos. (É impossível fazer lentes tão grandes quanto os astrônomos precisam, então a maioria dos observatórios usa espelhos, que tecnicamente podem ser construídos em qualquer tamanho.) Esses espelhos são projetados para focar o máximo de luz possível na câmera, que será de 63 polegadas. através, com 3, 2 bilhões de pixels.
Willman diz: "Uma vez colocada e colocada no céu, será a maior câmera usada para observações ópticas astronômicas".
Enquanto as câmeras comuns são projetadas para recriar as cores e os níveis de luz que podem ser percebidos pelo olho humano, a câmera do LSST “verá” cinco cores. Algumas dessas cores se sobrepõem àquelas vistas pelas células da retina em nossos olhos, mas elas também incluem a luz na parte infravermelha e ultravioleta do espectro.
Depois do Big Bang, o universo era uma bagunça quente - de partículas. Logo, esse atoleiro esfriou e se expandiu até o ponto em que as partículas poderiam começar a se atrair, se unindo para formar as primeiras estrelas e galáxias e formando uma enorme teia cósmica. As junções se transformaram em grandes aglomerados de galáxias, ligados por longos filamentos finos e separados por vazios na maior parte vazios. Pelo menos esse é o nosso melhor palpite, de acordo com simulações de computador que mostram como a matéria escura deve se aglomerar sob a força da gravidade.
A lente gravitacional fraca acaba sendo uma ótima maneira de testar essas simulações. Albert Einstein mostrou matematicamente que a gravidade afeta o caminho da luz, puxando-o ligeiramente para fora de seu movimento em linha reta. Em 1919, o astrônomo britânico Arthur Eddington e seus colegas mediram com sucesso esse efeito, no que foi o primeiro grande triunfo da teoria da relatividade geral de Einstein.
A quantidade de luz inclinada depende da força do campo gravitacional que ela encontra, que é governada pela massa, tamanho e forma da fonte. Em termos cósmicos, o sol é pequeno e baixo em massa, por isso cutuca a luz apenas por uma pequena quantidade. Mas as galáxias têm bilhões e bilhões de estrelas, e aglomerados de galáxias como o Bullet Cluster consistem em centenas ou milhares de galáxias, juntamente com abundância de plasma quente e matéria escura extra que os mantém unidos e o efeito cumulativo na luz pode ser bastante significativo. (Curiosidade: Einstein não achava que as lentes realmente seriam úteis, já que ele só pensava nisso em termos de estrelas, não de galáxias.)
Um mapa de matéria escura, criado por astrônomos japoneses usando lentes fracas (Satoshi Miyazaki, et al.) Lente gravitacional forte é produzida por objetos muito massivos que ocupam relativamente pouco espaço; um objeto com a mesma massa, mas espalhado sobre um volume maior, ainda irá desviar a luz, mas não tão drasticamente. Isso é lente gravitacional fraca - geralmente chamada de “lente fraca” - em essência.
Cada direção que você olha no universo, você vê muitas galáxias. As galáxias mais distantes podem ser fracas demais para serem vistas, mas ainda vemos parte de sua luz sendo filtrada como luz de fundo. Quando essa luz atinge uma galáxia mais próxima ou aglomerado de galáxias no seu caminho para a Terra, lentes fracas tornarão a luz um pouco mais brilhante. Este é um pequeno efeito (é por isso que dizemos “fraco”, afinal), mas os astrônomos podem usá-lo para mapear a massa no universo.
Os cerca de 100 bilhões de galáxias no universo observável fornecem muitas oportunidades para lentes fracas, e é aí que entram os observatórios como o LSST. Ao contrário da maioria dos outros observatórios, o LSST inspeciona grandes manchas do céu em um padrão definido, em vez de permitir astrônomos ditam onde o telescópio aponta. Desta forma, ele se assemelha ao Sloan Digital Sky Survey (SDSS), o observatório pioneiro que tem sido uma benção para os astrônomos por quase 20 anos.
Um dos principais objetivos de projetos como o SDSS e o LSST é um censo da população galáctica. Quantas galáxias estão por aí e quão massivas elas são? Eles estão aleatoriamente espalhados pelo céu, ou eles caem em padrões? Os vazios aparentes são reais - isto é, lugares com pouca ou nenhuma galáxia?
O número e a distribuição de galáxias fornecem informações sobre os maiores mistérios cósmicos. Por exemplo, as mesmas simulações de computador que descrevem a teia cósmica nos dizem que deveríamos estar vendo mais galáxias pequenas do que aparecer em nossos telescópios, e lentes fracas podem nos ajudar a encontrá-las.
Além disso, o mapeamento de galáxias é um guia para a energia escura, o nome que damos à expansão acelerada do universo. Se a energia escura tem sido constante o tempo todo, ou se tem forças diferentes em diferentes lugares e épocas, a teia cósmica deve refletir isso. Em outras palavras, o mapa topográfico de lentes fracas pode nos ajudar a responder uma das maiores questões de todas: o que é energia escura?
Finalmente, lentes fracas podem nos ajudar com as partículas de menor massa que conhecemos: neutrinos. Essas partículas que se movem rapidamente não ficam nas galáxias enquanto se formam, mas levam energia e massa à medida que vão. Se eles tiram muito, as galáxias não crescem tão grandes, então pesquisas de lentes fracas podem nos ajudar a descobrir quanto os neutrinos em massa têm.
Como o SDSS, o LSST lançará seus dados para os astrônomos, independentemente de serem membros da colaboração, permitindo que qualquer cientista interessado a use em suas pesquisas.
“A execução do telescópio no modo de pesquisa e a disponibilização desses extensos produtos de dados calibrados de alto nível para toda a comunidade científica vão realmente se combinar para tornar o LSST a instalação mais produtiva na história da astronomia”, diz Willman. "Isso é o que eu estou visando de qualquer maneira."
O poder da astronomia está usando idéias interessantes - mesmo aquelas que uma vez pensamos que não seriam úteis - de maneiras inesperadas. Lentes fracas nos dão uma maneira indireta de ver coisas invisíveis ou muito pequenas. Para algo chamado “fraco”, lentes fracas são um forte aliado em nossa busca para entender o universo.
