powszechnie uczy się, że w próżni światło zawsze porusza się w linii prostej. Chociaż tak jest w przypadku wielu sytuacji na Ziemi, kiedy patrzymy na wszechświat, sytuacja jest bardziej złożona. Ogólna teoria względności Einsteina opisuje grawitację jako krzywiznę lub osnowę w strukturze czasoprzestrzeni. Masywne obiekty tworzą więc swoje pola grawitacyjne poprzez wypaczanie kontinuum czasoprzestrzeni. Promienie świetlne podróżują przez wszechświat po ścieżkach zwanych geodezyjnymi, które są w istocie najkrótszą odległością między dwoma punktami w zakrzywionej przestrzeni.
w płaskiej płaszczyźnie, takiej jak prawie stałe pole grawitacyjne w pobliżu powierzchni Ziemi, geodezja jest zasadniczo prosta. Jednak w szerszym wszechświecie tak nie jest. Na zakrzywionych powierzchniach, takich jak wypaczona czasoprzestrzeń wielkiego wszechświata, geodezja jest zakrzywiona.
z tego powodu najprawdopodobniej każdy promień światła, który wykryliśmy, został w niewielkim stopniu odchylony podczas podróży przez przestrzeń. Jest to spowodowane grawitacją różnych galaktyk i gromad galaktyk, które promień świetlny przechodzi podczas swojej podróży.
znana jako soczewkowanie grawitacyjne, ta niezwykła właściwość natury została przewidziana przez ogólną teorię względności Alberta Einsteina na początku XX wieku. Matematyka pokazała, że każdy masywny obiekt niebieski może wyginać przechodzące promienie świetlne w taki sam sposób, w jaki szklana soczewka wygina światło w teleskopie lub mikroskopie. Jednak ilość ugięcia była niewielka i trzeba było spełnić specjalne warunki, aby teleskopy mogły ją wykryć.
(Po Lewej) (Po prawej) w gromadzie galaktyk Abell 2218 wokół gromady widać silnie soczewkowane łuki. Każda galaktyka tła jest słabo soczewkowana. Podziękowania dla Abell 2218: NASA, ESA i Johan Richard (Caltech, USA).
w 1919 roku warunki te zostały spełnione przez wystąpienie całkowitego zaćmienia Słońca w bogatym polu gwiazdowym. Wysłano ekspedycje dowodzone przez brytyjskiego astrofizyka Arthura Eddingtona. W momencie zaćmienia astronomowie zaobserwowali odchylenia w świetle gwiazd, które były spowodowane przez pole grawitacyjne słońca. Kiedy porównali swoje wyniki z przewidywaniami Einsteina, stwierdzili, że pasują. Wynik ten odegrał kluczową rolę w eksperymentalnym dowodzie teorii Einsteina.
Zeszyty Einsteina wskazują, że około siedem lat wcześniej zdał sobie sprawę, że jeśli obserwator znajduje się w odpowiedniej odległości, odchylone promienie światła wokół obiektu niebieskiego zbiegną się, tworząc powiększony obraz. Jest to zjawisko znane jako silna soczewka grawitacyjna. Na przykład, aby użyć Słońca jako soczewki grawitacyjnej do utworzenia obrazu bardziej odległego obiektu niebieskiego, obserwator musiałby znajdować się co najmniej 550 razy dalej od Słońca niż Ziemia.
w słabej soczewce grawitacyjnej promienie świetlne nie są wystarczająco odchylone, aby powiększyć obraz, zamiast tego wprowadzają subtelne zniekształcenia. Chociaż odchylenie od każdej gromady galaktyk jest praktycznie niewykrywalne samo w sobie, skumulowany efekt powoduje subtelne zniekształcenie obrazów odległych galaktyk, które można wywnioskować z pomiarów. Astronomowie nazywają ten efekt kosmicznym ścinaniem.
od pierwszego odkrycia w 2000 roku cosmic shear przekształciła się w niezawodną i solidną sondę kosmologiczną, dostarczającą pomiarów historii ekspansji Wszechświata i wzrostu jego struktury. Dostarczyła ona ograniczeń dotyczących gęstości materii we wszechświecie, ilości skupisk galaktyk we wszechświecie oraz zachowania się ciemnej energii. Wszystkie trzy były bliskie teoretycznym oczekiwaniom z pomiarów kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, co zwiększyło zaufanie do tej techniki.
Źródło: NASA, ESA i R. Massey.
w przypadku słabego soczewkowania sama soczewka jest rozszerzonym rozkładem ciemnej materii przed gęstym tłem galaktyk. Ze względu na pole grawitacyjne ciemnej materii, każda galaktyka tła jest bardzo nieznacznie zniekształcona. Zniekształcenia galaktyk tła nie są przypadkowe, ale będą zgodne z rozkładem gęstości ciemnej materii. W ten sposób wspólne zbadanie galaktyk tła ujawni ścinający obraz struktury pierwszego planu.
mierząc przesunięcie ku czerwieni do każdej galaktyki tła, możliwe jest wyodrębnienie struktur ciemnej materii znajdujących się w różnych przesunięciach ku czerwieni. Przy wystarczającej ilości galaktyk tła w różnych przesunięciach ku czerwieni możemy wykonać tomografię struktur ciemnej materii. Euclid zrobi to mierząc zniekształcenia 1,5 miliarda galaktyk tła, rozciągających się na 10 miliardów lat świetlnych wszechświata, aby stworzyć trójwymiarowy obraz rozkładu ciemnej materii w naszym wszechświecie.
dzięki tym informacjom kosmolodzy będą w stanie wydedukować sposób, w jaki rozkład struktur galaktyk na dużą skalę ukształtował się w historii kosmosu. Pomoże im to określić szybkość, z jaką takie struktury rosną. W rezultacie zapewni silne ograniczenia Natury i ilości ciemnej materii i ciemnej energii we wszechświecie, które wpływają na tempo wzrostu.
1: Nauka o misji
2: Czym jest ciemna materia?
3: Czym jest ciemna energia?
4: Co to jest soczewkowanie grawitacyjne?
5: czym są barionowe oscylacje akustyczne?
6: Legacy science (beyond cosmology)