Mørk materie er usynlig for alle instrumentene våre, men det betyr ikke at den ikke er der. Et stort nok radioteleskop skal være i stand til å kartlegge strålingen fra pregalaktisk hydrogen - dannet kort tid etter big bang, og synlig i alle retninger. Enhver mellomliggende mørk materie vil forvrenge denne strålingen, som krusninger i et tjern, og avsløre dens tilstedeværelse og mengde.
Når lyset reiser til oss fra fjerne objekter, bøyes banen litt av tyngdekraften av tingene den passerer. Denne effekten ble først observert i 1919 for lyset fra fjerne stjerner som passerte nær overflaten til Sola, noe som beviser Einsteins tyngdeklasse som en bedre beskrivelse av virkeligheten enn Newtons. Bøyningen forårsaker en påvisbar forvrengning av bildene fra fjerne galakser analogt med forvrengningen av en fjern scene sett gjennom en dårlig vindusrute eller reflektert i en kruset innsjø. Styrken av forvrengningen kan brukes til å måle styrken på tyngdekraften til forgrunnen objekter og derav deres masse. Hvis det er tilgjengelige forvrengningsmålinger for et tilstrekkelig stort antall fjerne galakser, kan disse kombineres for å lage et kart over hele forgrunnsmassen.
Denne teknikken har allerede produsert presise målinger av den typiske massen assosiert med forgrunnen galakser, samt massekart for en rekke individuelle galakse klynger. Det lider likevel av noen grunnleggende begrensninger. Selv et stort teleskop i verdensrommet kan bare se et begrenset antall bakgrunnsgalakser, maksimalt rundt 100 000 i hver himmellapp på størrelse med fullmåne. Målinger av rundt 200 galakser må beregnes i gjennomsnitt for å oppdage gravitasjonsforvrengningssignalet, så det minste området som massen kan avbildes for er omtrent 0,2% fra Fullmånen. De resulterende bildene er uakseptabelt uskarpe og er for kornete for mange formål. For eksempel kan bare de aller største klumpene av materien (de største klyngene av galakser) bli oppdaget i slike kart med noen tillit. Et annet problem er at mange av de fjerne galakene hvis forvrengning er målt, ligger foran mange av masseklumpene som man ønsker å kartlegge, og derfor ikke påvirkes av deres tyngdekraft. For å lage et skarpt bilde av massen i en gitt retning krever fjernere kilder og krever mange flere av dem. MPA-forskere Ben Metcalf og Simon White har vist at radioutslipp som kommer til oss fra epoken før galaksene hadde dannet seg, kan gi slike kilder.
Omlag 400 000 år etter Big Bang hadde universet avkjølt seg tilstrekkelig til at nesten all dens vanlige materie ble til en diffus, nestenuniform og nøytral gass av hydrogen og helium. Noen hundre millioner år senere hadde tyngdekraften forsterket ikke-uniformitetene til det punktet der de første stjernene og galakser kunne danne seg. Deres ultrafiolette lys oppvarmet deretter den diffuse gassen opp igjen. Under denne oppvarmingen og i en lengre periode før det, var det diffuse hydrogenet varmere eller kjøligere enn strålingen som ble igjen fra Big Bang. Som et resultat må den ha absorbert eller sendt ut radiobølger med en bølgelengde på 21 cm. Universets utvidelse fører til at denne strålingen blir synlig i dag med bølgelengder på 2 til 20 meter, og det bygges for tiden et antall lavfrekvente radioteleskoper for å søke etter det. Et av de mest avanserte er Low Frequency Array (LOFAR) i Nederland, et prosjekt der Max Planck Institute for Astrophysics planlegger å ta en betydelig rolle, sammen med en rekke andre tyske institusjoner.
Det pregalaktiske hydrogenet har strukturer i alle størrelser som er forløperne til galakser, og det er opptil 1000 av disse strukturene i forskjellige avstander langs hver siktlinje. Et radioteleskop kan skille disse fordi strukturer i forskjellige avstander gir signaler med forskjellige observerte bølgelengder. Metcalf og White viser at gravitasjonsforvrengning av disse strukturene vil tillate et radioteleskop å produsere bilder med høy oppløsning av den kosmiske massedistribusjonen som er mer enn ti ganger skarpere enn det beste som kan gjøres ved galaksedistorsjoner. Et objekt som i masse tilsvarer vår egen Melkevei, kunne oppdages helt tilbake til tiden da universet bare var 5% i sin nåværende alder. Slik høyoppløselig bildebehandling krever et ekstremt stort teleskopoppsett, tett som dekker et område omtrent 100 km over. Dette er 100 ganger så stor som planlagt for tett overdekket sentral del av LOFAR, og omtrent 20 ganger større enn tett overdekket kjerne av Square Kilometre Array (SKA), det største slike anlegg for tiden diskuteres. Et slikt gigantisk teleskop kunne kartlegge hele gravitasjonsmassedistribusjonen av universet, og gi det endelige sammenligningskartet for bilder produsert av andre teleskoper som fremhever bare den lille brøkdelen av massen som avgir stråling de kan oppdage.
Vi trenger ikke å vente på at det gigantiske teleskopet får uovertruffen resultat av denne teknikken. Et av de mest presserende problemene i dagens fysikk er å få en bedre forståelse av den mystiske mørke energien som for tiden driver den akselererte utvidelsen av universet. Metcalf og White viser at massekart over en stor brøkdel av himmelen laget med et instrument som SKA kunne måle egenskapene til Dark Energy mer presist enn noen tidligere foreslått metode, mer enn 10 ganger så nøyaktig som massekart av lignende størrelse basert på gravitasjon forvrengning av de optiske bildene av galakser.
Original kilde: Max Planck Institute for Astrophysics News Release
