— Published on 20/09/2020 / Bug.hr.
Gravitacijska leća je pojava koju danas koristimo kao instrument za istraživanje drugih pojava, poput raspodjele tamne tvari u skupu galaksiju; takva istraživanja nedavno su dala neočekivane rezultate
Thomas Edison nije izumio električnu žarulju, kao ni James Watt parni stroj. Obojica su napravili nešto drugo: usavršili su već postojeće naprave s jasnim ciljem – da postanu komercijalne. Daleko od toga da to nije važno, no za ovu priču važnije je nešto drugo: kako je Edison usavršio žarulju. Grubom silom! Isprobavanjem svega i svačega, bez puno promišljanja. Isprobao je više od 6000 materijala za žarnu nit. Kad se odlučio za bambus presvučen ugljikom, poslao je svoje ekspedicije širom svijeta da traže najbolji bambus: u Japan i Kinu, na Kubu i Jamajku, u prašume Amazone. To znači biti poduzetan. Edison je bio izumitelj poduzetničkog tipa.
Nikola Tesla, Edisonov antipod, bio je izumitelj znanstvenog tipa. U znanosti je na prvom mjestu razumijevanje, a eventualna primjena proizlazi iz razumijevanja. Tesla nije isprobavao sve i svašta u praksi nego u glavi. On je sjeo i razmišljao, a nakon što je sve razradio i u mislima isprobao onda je to u laboratoriju ostvario, kao profesor Baltazar. I stvar je redovito funkcionirala, primjerice okretno magnetsko polje za elektromotor pokretan višefaznom izmjeničnom strujom.
Albert Einstein je također bio neka vrsta profesora Baltazara. I on je isprobavao u glavi. Mogao je smisliti cijeli eksperiment kojega bi potom izvodio u mislima. Zvao je to Gedankenexperiment (misaoni eksperiment). Danas mnogi znanstvenici rade poput Tesle i Einsteina, ali ne vrte baš sve u vlastitoj glavi. Pomažu im računala. Novi uređaju najprije se izrađuju u virtualnom okruženju, a onda se tamo i testiraju. To nazivamo simulacijama. A simulacije su postale toliko moćan alat da u današnjoj znanosti nisu tek moguća pomoć nego nezaobilazni dio istraživačkog postupka, od fizike elementarnih čestica do fizičke kozmologije. U kozmologiji se, primjerice, može simulirati razvoj skupova galaksija da bi se onda neka karakteristika (recimo raspodjela materije, obične i tamne) usporedila s opažanjima.
.
Skupovi galaksija
Galaksija je velika nakupina zvijezda, međuzvjezdane tvari (plina i prašine) i tamne tvari koju na okupu drži gravitacijska sila. Svemir nije, kao što se to nekada mislilo, jednoliko ispunjen zvijezdama nego su te zvijezde grupirane u galaksije. Isto tako, svemir nije jednoliko ispunjen galaksijama nego su te galaksije grupirane u skupove galaksija. Neki ih autori nazivaju grozdovima ili klasterima. U svakom skupu galaksije na okupu drži opet gravitacijska sila. A ni skupovi galaksija nisu najveća struktura u svemiru. Skupovi su grupirani u superskupove. I njih na okupu drži gravitacijska sila. Superskupovi su u svemiru raspoređeni poput čvorova neke trodimenzijske mreže, a svaka velika praznina (ono što je u ribarskoj mreži oko) naziva se void. Simulacije razvoja svemira dobro opisuju takve strukture na najvećoj skali: raspodjelu superskupova i voidova. Pod uvjetom da ne zaboravimo važni sastojak – tamnu materiju. No, ako povećamo rezoluciju i fokusiramo se na raspodjelu materije unutar skupa galaksija onda se rezultati simulacija počinju dosta razlikovati od opažanja.
.
Gravitacijska leća
Da bismo saznali raspodjelu materije unutar jednog skupa galaksija nije dovoljno locirati samo objekte koji svijetle. Veći dio materije ne emitira svjetlost, ni vidljivu ni nevidljivu (od radiovalova do gama-zračenja), ali zato međudjeluje gravitacijski. Te gravitacijske učinke moguće je opaziti posredno, zahvaljujući prirodnim instrumentima koje nam svemir nudi – gravitacijskim lećama.
Optička leća vidljivu svjetlost skreće zbog loma koji se događa pri prijelazu iz jednog transparentnog sredstva u drugo, primjerice iz zraka u staklo ili obrnuto. Gravitacijska leća je pojava skretanja svjetlosti (zato ju nazivamo lećom), ali ne zbog prijelaza u drugi transparentni medij nego zbog zakrivljenosti prostora. A gdje će i kako prostor biti zakrivljen, to ovisi o raspodjeli mase. Mjesta značajno veće gustoće, tamo gdje je velika količina materije zbijena u mali prostor, djeluju kao gravitacijske leće što znači da fokusiraju pozadinsku svjetlost.
.
Neslaganje simulacija s opažanjima
Grupa istraživača usporedila je opažanja učinka gravitacijskih leća na relativno maloj skali (maloj s obzirom na superskupove, osnovne čvorove svemirske mreže), unutar skupova galaksija, s rezultatima simulacija učinka gravitacijskih leća. Premda su se na većoj skali simulacije dobro slagale s opažanjima, sad se pokazalo da postoji značajno odstupanje. Opažanja su pokazala da postoji puno više zgusnutih točaka, koje djeluju kao gravitacijske leće, nego što to simulacije predviđaju. Moglo bi se reći da tamna materija unutar skupa galaksija raspoređena manje jednoliko nego što se dosad mislilo, a da je mjestimično grudvasta. Kao krem juha od gljiva koju niste dovoljno miješali pri kuhanju.
Razlog neslaganju mogao bi biti taj što u simulacije nisu uključena neka, zasad nepoznata, svojstva tamne tvari. Ako je tako, onda su te simulacije odigrale svoju važnu ulogu, da nas usmjeravaju upravo prema onome što još ne znamo, da nas navode u budućim istraživanjima poput kompasa. Postoji mogućnost da je razlog neslaganja manje grandiozan, da simulacijski kod sadrži neki bug. I to se ponekad događa. Uostalom, nisu ni Einstein ni Tesla baš uvijek nepogrešivo simulirali, kako se to često prikazuje u romansiranim biografijama.
Rezultate istraživanja objavio je časopis Science u članku An excess of small-scale gravitational lenses observed in galaxy clusters.