det är allmänt lärt att i ett vakuum ljus alltid färdas i raka linjer. Även om detta är fallet för många situationer på jorden, när vi tittar ut i universum, är situationen mer komplex. Einsteins allmänna relativitet beskriver tyngdkraften som krökning eller varp i rymdtidens Tyg. Massiva föremål skapar därför sina gravitationsfält genom att vrida rumtidskontinuumet. Ljusstrålar färdas genom universum på vägar som kallas geodesik, som i huvudsak är det kortaste avståndet mellan två punkter i ett krökt utrymme.
i ett platt plan, såsom det nästan konstanta gravitationsfältet nära jordens yta, är geodetiken väsentligen rak. I det bredare universum är detta dock inte fallet. På krökta ytor, såsom den skeva rymdtiden i det storskaliga universum, är geodeserna böjda.
På grund av detta är det troligt att varje ljusstråle vi upptäcker har avböjts i viss liten grad när den färdas genom rymden. Detta orsakas av gravitationen hos de olika galaxerna och kluster av galaxer som en ljusstråle passerar på sin resa.
känd som gravitationslinsning, förutspåddes denna extraordinära egenskap av naturen att existera av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori i början av 20-talet. Matematiken visade att alla massiva himmelska föremål kan böja passande ljusstrålar på samma sätt som en glaslins böjer ljus i ett teleskop eller mikroskop. Mängden avböjning var dock liten och skulle behöva särskilda villkor för att teleskop skulle kunna upptäcka det.
(vänster) illustrationer av effekten av en linsmassa på en cirkulärt symmetrisk bild. (Höger) i galaxklustret Abell 2218 kan starkt linsade bågar ses runt klustret. Varje bakgrundsgalax är svagt linserad. Kredit för Abell 2218: NASA, ESA och Johan Richard (Caltech, USA).
1919 uppfylldes dessa villkor genom förekomsten av en total solförmörkelse i ett rikt stjärnfält. Expeditioner ledda av den brittiska astrofysikern Arthur Eddington skickades. Under förmörkelsens ögonblick observerade astronomerna avböjningar i stjärnljuset som hade orsakats av solens gravitationsfält. När de jämförde sina resultat med Einsteins förutsägelser fann de att de matchade. Detta resultat spelade en nyckelroll i det experimentella beviset på Einsteins teori.Einsteins anteckningsböcker indikerar att ungefär sju år tidigare hade han insett att om en observatör befann sig på rätt avstånd, skulle de avböjda ljusstrålarna från det himmelska objektet konvergera för att göra en förstorad bild. Detta är ett fenomen som kallas en stark gravitationslins. Till exempel, för att använda solen som en gravitationslins för att bilda en bild av ett mer avlägset himmelskt föremål, måste en observatör vara minst 550 gånger längre bort från solen än jorden.
i en svag gravitationslins avböjs ljusstrålarna inte tillräckligt för att förstora bilden, istället introducerar de subtila snedvridningar. Även om avböjningen från varje galaxkluster är praktiskt taget odetekterbar på egen hand, ger den kumulativa effekten en subtil förvrängning på bilderna av avlägsna galaxer som bara kan härledas från mätningar. Astronomer hänvisar till denna effekt som kosmisk skjuvning.sedan dess första upptäckt 2000 har cosmic shear utvecklats till en pålitlig och robust kosmologisk sond som ger mätningar av universums expansionshistoria och tillväxten av dess struktur. Det har gett begränsningar för materiens densitet i universum, mängden galaxklustring i universum och beteendet hos mörk energi. Alla tre har varit nära de teoretiska förväntningarna från mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, och detta har ökat förtroendet för tekniken.
Illustration av svag gravitationslins. Kredit: NASA, ESA och R. Massey.
vid svag linsning är linsen i sig en utökad fördelning av mörk materia framför en tät bakgrund av galaxer. På grund av den mörka materiens gravitationsfält är varje bakgrundsgalax mycket förvrängd. Förvrängningarna av bakgrundsgalaxerna är inte slumpmässiga men kommer att anpassa sig till densitetsfördelningen av den mörka materien. Således undersöker bakgrundsgalaxerna tillsammans en skjuvbild av förgrundsstrukturen.
genom att mäta rödförskjutningen till varje bakgrundsgalax blir det möjligt att urskilja de mörka materiestrukturerna som finns vid olika rödförskjutningar. Med en tillräcklig mängd bakgrundsgalaxer vid olika rödförskjutningar kan vi utföra tomografi av de mörka materiestrukturerna. Euclid kommer att göra detta genom att mäta förvrängningarna av 1,5 miljarder bakgrundsgalaxer, som sträcker sig över 10 miljarder ljusår i universum, för att skapa en tredimensionell bild av universums mörka materiefördelning.
med denna information kommer kosmologer att kunna härleda hur den storskaliga fördelningen av galaktiska strukturer har byggts upp genom kosmisk historia. Detta kommer att hjälpa dem att bestämma hur snabbt sådana strukturer växer. Som ett resultat kommer det att ge starka begränsningar för naturen och mängden mörk materia och mörk energi i universum, som båda påverkar tillväxthastigheten.
1: Mission science
2: Vad är mörk materia?
3: Vad är mörk energi?
4: Vad är gravitationslinsning?
5: Vad är baryoniska akustiska svängningar?
6: Äldre vetenskap (bortom kosmologi)