基于欧几里得望远镜观测的海量数据
过去的100亿年可以以前所未有的确定性确定
宇宙的膨胀和结构演化
帮助揭示暗能量和暗物质
这两个宇宙学之谜
北京时间7月1日晚23时12分，欧洲航天局（以下简称欧空局）设计的欧几里得太空望远镜（以下简称欧几里得望远镜）搭载在美国一架猎鹰9号火箭上。公司。 从美国佛罗里达州发射。 未来六年，它将勘测超过三分之一的宇宙，对超过10亿个星系进行“CT扫描”，绘制宇宙三维“地图”。
据欧洲航天局官网介绍，基于欧几里得望远镜观测到的海量数据，可以前所未有地确定过去100亿年来宇宙的膨胀和结构演化，这将有助于揭开两个宇宙的神秘面纱。宇宙学的主要奥秘：暗能量和暗物质。
中国科学院国家天文台研究员龚岩长期研究暗物质和暗能量模型。 现任中国巡天空间望远镜（CSST）国家天文台科研中心常务副主任。 他告诉《中国新闻周刊》，暗物质和暗能量是目前物理学和天文学最前沿的研究领域，也是笼罩在两个学科上空的“两朵乌云”。 许多国家正在研究相关领域的关键问题。 如果这两个谜团被解开，对于人类来说将是一个非常重要的突破。
太空中的欧几里得太空望远镜（示意图）。图片/ESA
人类对宇宙95%的部分仍然一无所知
2009年，欧洲航天局发射了“普朗克”探测卫星。 准确绘制宇宙微波背景辐射图花了三年时间。 这是大爆炸留下的辐射，被称为宇宙中最古老的光。 2013年，第一张反映宇宙早期的全景图发布后，科学家证实它几乎完美地验证了宇宙标准模型。 即宇宙中所有可见的普通物质，包括恒星、行星以及我们生活中的一切事物，只占宇宙总能量的5%，暗物质占27%，暗能量占68%。
但人们需要回答的问题是暗物质和暗能量到底是什么。 在过去的一个世纪里，许多研究人员测量并发现恒星绕星系中心旋转的速度比预测的要快。 他们推测，看不见的物质的存在增加了导致恒星旋转的引力。 科学家称其为暗物质。 暗能量是指驱动宇宙加速膨胀的神秘物质。 暗物质与普通物质不同，看不见、摸不着、听不见。 过去几十年来，天文学家和理论物理学家竭尽全力，但始终无法直接探测到暗物质和暗能量的存在，对它们的性质也一无所知。
2012年，欧洲航天局选择实施欧几里得计划。 来自13个欧洲国家、美国、日本等国家的2000多名科学家参与了这一项目，花费约10亿欧元研发欧几里得探测器。 。 现在，这个以几何学之父命名的探测器配备了1.2米欧几里得望远镜、可见波长相机和近红外相机。 它将在太空中航行一个月，最终盘旋在天空中。 拉格朗日点L2，距地球150万公里。 欧几里得望远镜将与詹姆斯·韦伯望远镜共享同一位置，观测宇宙深处。
欧几里得望远镜的发射经历了许多坎坷。 2022年，欧几里得望远镜的建造完成。 它最初计划由俄罗斯火箭从南美洲发射。 但由于俄乌战争影响，欧洲与俄罗斯航天部门的合作终止。 2022年底，欧空局找到了替代方案望远镜的原理，与美国公司合作，将发射地点移至美国。 根据欧空局官网公布的目标，欧几里得望远镜将用于研究暗能量是否存在，或者查明宇宙明显快速膨胀的原因； 暗能量是否存在，它有什么特征，以及基于观测的宇宙大尺度结构和大爆炸后宇宙的状况。
龚彦告诉《中国新闻周刊》，欧几里得望远镜并不能直接探测到暗物质。 严格来说，探测暗物质需要探测暗物质粒子。 关于暗物质有很多理论假设，其中之一是暗物质是一种重质量粒子。 在过去的几十年里，科学家们主要采用三种方法来探测暗物质：使用大型对撞机来测试暗物质粒子是否可以被撞出； 在地下十多公里处建立实验室，确保其他粒子无法穿透，并寻找暗物质与其他物质相互作用的痕迹； 探测地面或太空中暗物质“湮灭”或衰变后产生的常见粒子。 但迄今为止，人们用尽了上述所有方法，也没有检测到任何暗物质粒子的踪迹。
宫彦解释说，欧几里得望远镜的工作原理是假设暗物质存在，通过探测宇宙中的大质量天体，将获得的数据与相关模型进行比较和验证，以确定或排除相应的暗物质模型。 这实际上是一种理论上的“排除法”。 “如果人们足够准确地探测到暗物质的特性，没有其他理论可以解释这些数据，最终只能用暗物质来解释。” 宫彦说道。
据欧空局官网介绍，欧几里得望远镜主要通过两种方式实现科学目标。 该望远镜将测量 15 亿个背景星系，以创建宇宙中暗物质分布的三维视图，这将使宇宙学家能够推断出星系结构在宇宙历史上是如何形成的以及它们增长的速度。 这与暗物质和暗能量的性质和数量有关。 同时，欧几里得望远镜还将利用重子声波振荡来测量宇宙的膨胀速度和变化。 重子声振荡可以简单地理解为早期宇宙中的声音波动。 它们在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，有助于了解宇宙的演化及其结构的形成。 两种方法的测量对象几乎是相同的天体，结果可以交叉核对以减少误差。
作为第四代巡天望远镜，欧几里得和哈勃之间存在着明显的差异。 “哈勃是一种精密望远镜，可以清晰地拍摄天空小区域内的天体。它只能探测到太空中非常小的区域，相当于通过‘针孔’进行观察。” 龚彦说，他想研究暗物质和暗物质。 能源，望远镜需要看到更广阔的宇宙。 欧几里得望远镜“消除了针孔”，以更大的视野扫描整个宇宙的天体。
此外，欧几里得望远镜还可以“看得更远”。 天体发出的光随着宇宙的膨胀而被拉伸，出现“红移现象”。 红移越大，天体距离人类越远。 欧几里得还配备了测量星系形状的可见光相机和测量星系亮度和距离的近红外光谱仪。 它可以观测宇宙形成30亿年后的光。 “它对宇宙探测的广度和深度是目前其他望远镜无法比拟的，观测数据量也是同类望远镜中前所未有的。” 龚艳告诉《中国新闻周刊》。
欧几里得望远镜的另一个重要科学目标是通过分析宇宙中物质的分布结构来测量中微子的质量。 目前，科学家认为中微子由三种不同类型的中微子组成：电子中微子、μ子中微子和τ中微子。 现有的地面实验无法证实这三者的质量顺序。 在粒子物理学的标准模型中，中微子理论上质量为零，但地面实验和观测表明中微子具有质量。 “精确测量三个中微子的质量总和对于理解中微子的质量排序及其质量获取机制起着重要作用。” 龚彦分析说，这将对中微子乃至基础物理的研究产生很大影响。 有很大的促进作用。
无法独自完成观察目标
在地球上，光在真空中沿直线传播，但在更广阔的宇宙中，情况并非如此。 根据爱因斯坦广义相对论的预测望远镜的原理，遥远星系发出的光线在穿过星系或星系团等大质量天体时，会因重力的影响而发生轻微弯曲。 类似于放在放大镜下，图像形状和亮度都会发生变化。 这称为引力透镜效应。 科学家认为，背景光源的畸变不是随机的，而是与暗物质的引力场有关，从中可以探测到暗物质的密度分布。
龚彦解释说，在理想条件下，当发光星系、光线穿过的大质量物质和观察者等光源之间存在三点一线时，引力透镜效应最强。 但在宇宙中，正常情况下，光源只会产生微弱的透镜效应，使观测变得更加困难。 这称为弱引力透镜效应。 探测正式启动后，欧几里得望远镜将通过弱引力透镜效应绘制暗物质的分布图。 “虽然单个星系的形状和亮度变化很小，但这是一个统计概念。如果测量数亿或数十亿个星系的形状和亮度，统计效果就会出来。” 宫彦说道。
因此，欧几里得望远镜必须观测到足够广阔的宇宙，龚彦说，“从设计上来说，欧几里得望远镜只使用较宽的波段进行可见光观测，这有助于更准确地测量星系的形状。 “然而，大型巡天望远镜一般采用光度红移技术，利用多个波段的光度数据来估计红移。欧几里德仅使用了一个宽带可见光波段和几个近红外波段，这会降低光度红移的准确性。”红移无法准确测量，弱引力透镜效应的测量也无法非常准确。”龚彦解释道。
这是欧几里得望远镜未来探测面临的最大挑战之一。 龚彦表示，要想顺利完成科学目标，欧几里得望远镜需要其他望远镜的配合。 欧空局官网还提到，该望远镜需要来自地面望远镜的额外数据，以改进红移测定技术和单个星系的点扩散函数建模。 不过，龚彦提到，不同望远镜如何协调观测和数据处理，对于欧几里得望远镜的测量来说将是一个非常大的挑战。 例如，面临的挑战包括地面望远镜观测容易受大气扰动影响、每次观测结果不同、仪器参数也不同等。
近年来，欧洲、中国、美国等许多国家和地区致力于暗物质和暗能量的研究和探测。 美国国家航空航天局（NASA）正在研发南希·格雷斯·罗马太空望远镜，计划于2027年发射。中国的两米巡天太空望远镜（CSST）计划于2024年发射。这些望远镜的研究方向相似欧几里得，用于进行广域巡天，并在宇宙结构形成与演化、暗物质和暗能量等领域开展前沿研究。
2013年，中国巡天空间望远镜项目立项。 中国科学院国家天文台研究员詹虎参与了CSST的研制。 他告诉媒体，CSST计划于2023年底前交付，并计划于2024年发射升空。据介绍，CSST太空飞行器有公共汽车那么大，有三层楼高。 “巡天观测”是CSST的主要任务。 它将覆盖整个天空区域的40%，积累近20亿个星系的高质量数据。
美国宇航局开发的南希·格雷斯·罗马太空望远镜的众多科学目标中，还包括研究宇宙规模和暗能量。 此外，它还将搜寻宇宙超新星事件。 但它与中国和欧洲的天文望远镜不同。 据欧洲航天局官方介绍，罗马望远镜和欧几里得望远镜的任务是“互补的”。 的测量视场更宽，而Roman只测量较小的区域，但具有更高的分辨率和更大的波长覆盖检测，两者的重叠结果可以用来相互检查系统误差。
这样的巡天望远镜最终能否揭示暗物质和暗能量？ 英国兰开斯特大学天体物理学教授、欧几里得科学家伊莎贝尔·胡克在接受采访时提到，欧几里得将在几个月后发回其对宇宙的“第一印象”照片，但科学家们还需要等待数年时间获得大量数据并公布一些新结果。
发表于2023年7月10日《中国新闻周刊》杂志第1099期
杂志标题：欧几里得望远镜能否解开暗物质之谜？
记者：杨志杰()