Het wordt algemeen geleerd dat in een vacuüm licht altijd in rechte lijnen reist. Terwijl dit het geval is voor veel situaties op aarde, wanneer we naar het universum kijken, is de situatie complexer. Einsteins algemene relativiteit beschrijft zwaartekracht als kromming of kromming in het weefsel van de ruimtetijd. Massieve objecten creëren daarom hun zwaartekrachtvelden door het ruimtetijdcontinuüm te krommen. Lichtstralen reizen door het heelal op paden die geodesics worden genoemd, die in essentie de kortste afstand zijn tussen twee punten in een gebogen ruimte.

in een vlak vlak, zoals het bijna constante gravitatieveld nabij het aardoppervlak, zijn de geodesics in wezen recht. In het bredere universum is dit echter niet het geval. Op gekromde oppervlakken, zoals de kromme ruimtetijd van het grootschalige universum, zijn de geodesics gekromd.

hierdoor is het zeer waarschijnlijk dat elke lichtstraal die we detecteren tot op zekere hoogte is afgebogen terwijl het door de ruimte reist. Dit wordt veroorzaakt door de zwaartekracht van de verschillende sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels die een lichtstraal passeert op zijn reis.deze buitengewone eigenschap van de natuur, bekend als gravitatielens, werd voorspeld door Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie in het begin van de 20e eeuw. De wiskunde toonde aan dat elk massief hemellichaam passerende lichtstralen kan buigen op dezelfde manier als een glazen lens licht buigt in een telescoop of microscoop. Echter, de hoeveelheid doorbuiging was klein en zou speciale voorwaarden moeten worden voldaan om telescopen om het te detecteren.

(links) illustraties van het effect van een lensmassa op een circulair symmetrisch beeld. (Rechts) in sterrenstelsel cluster Abell 2218, sterk lensed bogen zijn te zien rond de cluster. Elke achtergrond galaxy is zwak gelensed. Krediet voor Abell 2218: NASA, ESA, en Johan Richard (Caltech, USA).in 1919 werd aan deze voorwaarden voldaan door het optreden van een totale zonsverduistering in een rijk sterveld. Expedities onder leiding van de Britse astrofysicus Arthur Eddington werden uitgezonden. Tijdens het moment van de eclips, observeerden de astronomen afbuigingen in het sterrenlicht die waren veroorzaakt door het zwaartekrachtveld van de zon. Toen ze hun resultaten vergeleken met Einsteins voorspellingen, vonden ze dat ze overeenkwamen. Dit resultaat speelde een sleutelrol in het experimentele bewijs van Einsteins theorie.Einsteins notitieboekjes geven aan dat hij zich ongeveer zeven jaar eerder had gerealiseerd dat als een waarnemer op de juiste afstand was gelokaliseerd, de afgebogen lichtstralen van rond het hemellichaam zouden samenkomen om een vergroot beeld te maken. Dit is een fenomeen dat bekend staat als een sterke gravitatielens. Om bijvoorbeeld de zon als gravitatielens te gebruiken om een beeld te vormen van een verder hemellichaam, moet een waarnemer minstens 550 keer verder van de zon verwijderd zijn dan de aarde.

in een zwakke gravitatielens worden lichtstralen niet voldoende afgebogen om het beeld te vergroten, in plaats daarvan introduceren ze subtiele vervormingen. Hoewel de afbuiging van elke cluster van melkwegstelsels op zichzelf vrijwel niet op te sporen is, geeft het cumulatieve effect een subtiele vervorming op de beelden van verre melkwegstelsels die gewoon kan worden afgeleid uit metingen. Astronomen noemen dit effect kosmische afschuiving.sinds de eerste ontdekking in 2000 is kosmische afschuiving uitgegroeid tot een betrouwbare en robuuste kosmologische sonde, die metingen levert van de expansiegeschiedenis van het heelal en de groei van zijn structuur. Het heeft beperkingen gesteld aan de dichtheid van materie in het universum, de hoeveelheid melkwegclustering in het universum en het gedrag van donkere energie. Alle drie zijn dicht bij de theoretische verwachtingen van metingen van de kosmische microgolfachtergrondstraling geweest, en dit heeft het vertrouwen in de techniek vergroot.

illustratie van zwakke gravitatielens. Credit: NASA, ESA, en R. Massey.

in het geval van zwakke lensvorming is de lens zelf een uitgebreide verdeling van donkere materie voor een dichte achtergrond van sterrenstelsels. Door het zwaartekrachtveld van de donkere materie is elk achtergrondstelsel licht vervormd. De vervormingen van de achtergrondstelsels zijn niet willekeurig, maar zullen overeenkomen met de dichtheidsverdeling van de donkere materie. Dus, het samen onderzoeken van de achtergrond melkwegstelsels zal een schuin beeld van de voorgrond structuur onthullen.

door de roodverschuiving naar elk achtergrondstelsel te meten, wordt het mogelijk om de donkere materiestructuren die zich bij verschillende roodverschuivingen bevinden, te ontwarren. Met voldoende achtergrond sterrenstelsels bij verschillende roodverschuivingen kunnen we tomografie van de donkere materie structuren uitvoeren. Euclides zal dit doen door de vervormingen van 1,5 miljard achtergrondstelsels te meten, die zich uitstrekken over 10 miljard lichtjaar van het universum, om een driedimensionaal beeld te creëren van de verdeling van donkere materie in ons universum.

met deze informatie zullen kosmologen kunnen afleiden hoe de grootschalige verspreiding van Galactische structuren zich in de kosmische geschiedenis heeft opgebouwd. Dit zal hen helpen de snelheid waarmee dergelijke structuren groeien bepalen. Als gevolg hiervan zal het zorgen voor sterke beperkingen op de aard en de hoeveelheid donkere materie en donkere energie in het universum, die beide de groeisnelheid beïnvloeden.

1: Missiewetenschap

2: Wat is donkere materie?

3: Wat is donkere energie?

4: Wat is gravitatielens?

5: Wat zijn baryonische akoestische oscillaties?

6: Legacy science (beyond cosmology)