歐幾里德太空望遠鏡：探秘暗宇宙之光

歐幾里德太空望遠鏡（Euclid space telescope）以解開宇宙的兩大謎團：暗能量（dark energy）和暗物質(zhì)（dark matter）為目標，將帶領(lǐng)我們重新認識宇宙。

2023年7月1日，歐幾里德太空望遠鏡搭乘SpaceX可回收式中型運載火箭“獵鷹9號”，從美國佛羅里達州卡納維拉爾角太空基地發(fā)射升空。歷經(jīng)30天的飛行，歐幾里德太空望遠鏡抵達距離地球150萬千米（約地-月距離的4倍）的日地拉格朗日L2點，并繞該點進行半徑為40萬～80萬千米，周期約為6個月的軌道運行。歐幾里德太空望遠鏡項目[1]的前身為歐洲航天局于2007年3月征集到的“沙丘”項目（暗宇宙探測器）和 “太空”項目（光譜全天宇宙探測器），因二者均以探測暗能量、測量宇宙幾何為己任，歐洲航天局將兩者合二為一，以古希臘數(shù)學(xué)家、《幾何原本》的作者歐幾里德（Euclid）命名。

歐幾里德太空望遠鏡耗資15億美元，由歐洲航天局主導(dǎo)、建造和運營，NASA貢獻資金和技術(shù)。歐幾里德太空望遠鏡高約4.7米，直徑約3.7米，在軌質(zhì)量為2噸，包含 850千克的服務(wù)模塊、800千克的載荷模塊、210千克的推進劑和40千克的平衡質(zhì)量。望遠鏡的直徑為1.2米，位于載荷模塊，還包括一臺可見波長相機，又稱可見光儀器和一臺近紅外光譜儀和光度計。根據(jù)推進器劑量，預(yù)計歐幾里德太空望遠鏡將開展至少為期6年的巡天任務(wù)，將探測15 000平方度（約占1/3全天區(qū)）的天區(qū)，觀察距地球100億光年的星系，并繪制3D“宇空圖”。

科技美學(xué)

太空望遠鏡在浩瀚的宇宙中進行觀測，既要考慮觀測范圍，又要注重觀測精度，更要保證科學(xué)儀器的正常運行。歐幾里德太空望遠鏡的三個組成部分為遮陽板、圓柱體和服務(wù)區(qū)。材料顏色為金色、銀色、白色和黑色。在太空中，金色和銀色的隔熱材料會使兩面形成上百度的溫差。望遠鏡上端鏡筒和中端圖像傳感器被涂成白色，因二者需在極低溫的工作條件下運行，而白色材料可有效地實現(xiàn)熱量發(fā)散。服務(wù)區(qū)中的設(shè)備因?qū)囟纫蟛桓撸煌砍珊谏?。太陽板正對著太陽，為整個航天器提供了超過2千瓦的電能，同時為望遠鏡遮擋了光線。

太陽板同側(cè)下方有兩臺天線，一臺位于日地拉格朗日L2點，通過機械臂伸展出去，指向地球，傳輸觀測數(shù)據(jù)，另一臺為指令天線，目的是監(jiān)控飛行姿態(tài)和檢測信息。日地拉格朗日L2點是理想的位置[2]。在這一位置，所需的能量足夠低，觀測視野足夠大。但處于日地拉格朗日L2點的暈軌道的望遠鏡如同馬鞍中間的圓珠，受力就會偏向。為“束縛”望遠鏡的位置，需借自身推進器加以維持。其光學(xué)導(dǎo)星鏡被金色材料包裹，會根據(jù)星星在天空中的位置調(diào)整自身指向，在這一過程中，微型助推器將進行矯正，每個助推器可產(chǎn)生10微牛的力，由此可以衡量歐幾里德太空望遠鏡項目的時長。

歐幾里德太空望遠鏡的陶瓷結(jié)構(gòu)由碳化硅粉末經(jīng)嚴苛復(fù)雜工藝流程鑄造后拋光鍍銀而成。相比金屬，碳化硅更不易受溫度變化的影響、更穩(wěn)定、不變形，可有效提高光學(xué)系統(tǒng)的聚焦觀測能力[3]。碳化硅堅硬，密度比玻璃小得多，為航天儀器和望遠鏡的首選材料。但碳化硅極脆，要將儀器由火箭送入太空，還能保持良好的工作狀態(tài)，是一項極大的挑戰(zhàn)。正如歐洲航天局工程師路易斯（Luis）所說，“我們正在將一切制造水平推向極限[4]?！?/p>

歐幾里德太空望遠鏡主鏡后有一個特殊組件，即二向色過濾器。它將收集到的光線一分為二，分別為可見光和紅外光，前者傳遞給可見光儀器，后者傳遞給近紅外光譜儀和光度計?？梢姽鈨x器的觀測敏感范圍為550～900納米，為了對大部分天空拍攝非常清晰的星系圖像，使用了36個電荷耦合器件，其中每一個擁有多于4000×4000的像素，排列在6×6的網(wǎng)格中，平均圖像分辨率約為0.23角秒，望遠鏡像素約達6億，相當于70個4K顯示屏，且因不受大氣影響，拍攝的圖像至少比地面所拍的清晰4倍?？梢姽鈨x器視野很廣，一次成像面積約0.56平方度，近于3個滿月的面積。它可拍攝24.5星等，比肉眼可見的最暗的星還暗上2500萬倍。近紅外光譜儀和光度計搭載了16個汞碲鎘近紅外傳感器，其中每一個擁有多于2000×2000的像素，視場約0.55平方度。它包含相機和無縫光譜儀。相機可觀測波長為900～2000納米的三類波，像素為6500萬，可拍攝24星等，比肉眼可見的最暗的星暗上1600萬倍。光譜儀可將波長為1100～2000納米的近紅外線輻射分解為光譜，確定出星系光譜紅移。

科學(xué)任務(wù)

探索暗物質(zhì)

根據(jù)對宇宙微波背景輻射的觀測結(jié)果和數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，宇宙總質(zhì)量中含有約4%的可感可見物質(zhì)，而約96%的是感覺不到而又存在的物質(zhì)，如同“空氣”。后者被稱為“暗物質(zhì)”。

暗物質(zhì)雖不能被人觀察到，但有種種科學(xué)分析可以證明它的存在。它是一種未知粒子的集合，且對宇宙中的引力場具有影響。人們起初認為暗物質(zhì)是大氣中的氫原子。但這些“新粒子”不與光發(fā)生相互作用，雖會產(chǎn)生力，但普通望遠鏡無法看到它們，科學(xué)家假設(shè)這可能就是暗物質(zhì)。1990年代，宇宙背景探測者衛(wèi)星顯示出宇宙微波背景輻射有微弱的溫度變化。波動由整個宇宙中原子分布的差異而產(chǎn)生，但還不足以成為我們所見的星系團，因此一定有什么不可見的東西影響到它。1930年代，天文學(xué)家茲威基（Zwicky）通過測量星系在后發(fā)星系團中移動的速度，結(jié)合星系團中可見物質(zhì)的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)它們的移動速度比預(yù)期的要快很多。宇宙學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在解釋星系的移動時，若將暗物質(zhì)納入計算模型，將很好地吻合這種令人琢磨不透的速度。此外，雖然暗物質(zhì)不能為人類直接所見，但它通過“引力透鏡效應(yīng)”展現(xiàn)了扭曲的星系光線。

歐幾里德太空望遠鏡將試圖探索暗物質(zhì)對宇宙結(jié)構(gòu)的影響。“宇宙網(wǎng)”是由引力所形成的絲狀結(jié)構(gòu)，遍布整個宇宙，編織起各種可見和不可見的物質(zhì)（“宇宙空洞”）。其中的絲狀物由暗物質(zhì)維系。暗物質(zhì)細絲之間的交叉點使星系緊緊地聯(lián)系在一起，形成星系團。歐幾里德太空望遠鏡將收集約1/3天區(qū)的數(shù)十億個星系的形狀、大小、位置的信息，通過觀測宇宙深場，提供銳度極高的圖像，并準確繪制數(shù)量龐大的星系的形狀和分布圖，找到星系團，這將有助于我們了解“宇宙網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)和歷史，并通過星系團的分布來描繪出暗物質(zhì)分布在宇宙之中的3D視圖。

ΛCDM宇宙模型是一種廣受認可的模型，其中的CDM是一個緩慢移動的暗物質(zhì)類（非相對論粒子）的“冷”暗物質(zhì)，這意味它們很重且移動速度相對緩慢，似乎由中微子組成，而移動速度接近光速的暗物質(zhì)則被稱為“熱”暗物質(zhì)。它們與正常物質(zhì)的相互作用非常弱，似乎遠遠低于目前使用的最佳探測器的閾值。粒子物理學(xué)家致力于建造更加靈敏的探測器。歐幾里德太空望遠鏡擔當此任，它將通過觀測宇宙結(jié)構(gòu)的形成，揭示宇宙中的中微子的總質(zhì)量，并通過“弱引力透鏡效應(yīng)”扭曲遙遠星系圖像的方式來分析暗物質(zhì)的分布，對其進行“斷層掃描”。一旦探測出暗物質(zhì)行為，將為科學(xué)提供有價值的線索。

探索暗能量

暗能量由愛因斯坦引力場方程而來，該式會導(dǎo)致一個可以收縮的宇宙，為使宇宙保持靜態(tài)，愛因斯坦將“宇宙常數(shù)”引入方程?？蓯垡蛩固孤暦Q引入宇宙常數(shù)是自己所犯的最大錯誤。因為宇宙的確在不斷膨脹。而后的宇宙觀測發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，并且在加速膨脹。宇宙中的物質(zhì)力會抵抗膨脹，因此膨脹本應(yīng)減慢，但事實恰好相反。宇宙學(xué)家假設(shè)，正是“暗能量”驅(qū)動了宇宙的加速膨脹[5]，“暗能量”也成為“宇宙常數(shù)”的代名詞[6]。根據(jù)歐洲航天局的最新估計，暗能量應(yīng)占宇宙物質(zhì)能量密度的68%，此時理論計算與實際觀測最為吻合。

我們不知道暗能量是什么，無法確定它的組成，甚至不確定它是否是一種能量。有科學(xué)家認為“真空不空”，把“暗能量”稱為“真空能”，把這種力稱為“真空力”。假如“真空”被證實確有力的屬性，那么“真空力”就成為繼萬有引力、電磁力、強力、弱力之后的第五種自然力?！罢婵铡笨赡芫褪钦加钪?8%的“暗能量”。

歐幾里德太空望遠鏡將通過掃描1/3天區(qū)，觀察100億光年外的光，以廣闊視角調(diào)查宇宙的各個方向（等同性）和各個位置（同質(zhì)性）的擴展是否相同，告訴我們宇宙的膨脹如何隨著時間的變化而變化。通過研究宇宙的重子聲學(xué)振蕩，即早期宇宙的振蕩所留下的痕跡，歐幾里德太空望遠鏡可以準確測量過去100億年以來的宇宙膨脹歷史，從而檢驗暗能量的候選模型。

最新發(fā)現(xiàn)

2023年11月7日，歐洲航天局公布了歐幾里德太空望遠鏡所拍攝的第一組全彩宇宙圖：耀眼的暗黑邊緣。其中包括英仙座星系團。該星系團是宇宙中已知質(zhì)量最大的結(jié)構(gòu)之一，距離地球2.4億光年。它的1000個星系和背景中更遠的10萬多個星系中的每一個都包含了多達數(shù)千億顆恒星。很多星系距離我們十分遙遠，之前并未被我們所見，它們中的一些光走了100億年才到達此處。歐幾里德太空望遠鏡項目的科學(xué)家屈揚德爾（Cuillandre）解釋道，“如果沒有暗物質(zhì)，星系將均勻分布在整個宇宙中。只有當宇宙中存在暗物質(zhì)時，像英仙這樣的星系團才能形成[7]?！?/p>

歐幾里德太空望遠鏡還拍到了一個類似于銀河系的螺旋星系，叫作IC 342，也稱“隱藏星系”，因它位于銀河系后方，且被塵埃、氣體和恒星所遮蔽。歐幾里德太空望遠鏡難以置信地以極高的銳度完成了拍攝，這得益于它所搭載的具有穿透塵埃功能且能捕捉到低溫、低質(zhì)量恒星光的近紅外光譜儀和光度計。歐洲航天局科學(xué)家洪特（Hunt）說，“IC 342類似銀河系，我們可以通過它而學(xué)習(xí)到很多關(guān)于銀河系的知識。它看似平常，但我們可放大來區(qū)分單星和星團。它能幫助我們追溯恒星形成的歷史，了解恒星在銀河系的一生中是如何形成和進化的?！?/p>

宇宙中的大多數(shù)星系在早期看起來都是不規(guī)則的、小的，不像一個整齊的、規(guī)則的螺旋，可它們是形成大星系的基礎(chǔ)。歐幾里德太空望遠鏡觀測到了NGC 6822矮星系，它看起來不像一個星系，更像是一團細霧。它距離地球只有160萬光年，與銀河系同屬于一個星系團。NGC 6822含有低比例的非氫、非氦的金屬豐度，因氫和氦很大程度上是由恒星在進化中產(chǎn)生。研究NGC 6822將幫助我們了解星系在早期宇宙中的進化過程。NGC 6397則是數(shù)十萬顆恒星由引力集合在一起的球狀星團，距離地球約7800光年，是離我們第二近的球狀星團。歐洲航天局的科學(xué)家馬爾馬薩里（Massari）說，“除了歐幾里德太空望遠鏡外，沒有其他望遠鏡能夠觀測到球狀星團，同時將其外部區(qū)域的微弱恒星與其他宇宙源區(qū)分開[8]?！?馬爾馬薩里想探索球狀星團的“潮汐尾”（潮汐尾是先前與星系的相互作用而延伸到星團之外的恒星軌跡），從而非常精確地計算星系團如何圍繞我們的星系運行，以便告訴我們暗物質(zhì)是如何在銀河系中分布的。

歐幾里德太空望遠鏡展示了馬頭星云的壯觀全景和詳細視圖。它與我們的距離約為1375光年，是距離地球最近的巨型恒星形成區(qū)，位于獵戶座著名的三星帶的最東端，也是巨大的獵戶座分子云的一部分，因看起來像馬頭而得此稱謂，也被稱為Barnard 33。恒星是在非常特殊的條件下形成的。而這些特殊的情況是由位于馬頭星云上方且非常明亮的獵戶座西格瑪星（Sigma Orionis）所發(fā)出的輻射而造成的。

2024年5月23日，歐洲航天局公布了歐幾里德太空望遠鏡所拍攝的5幅宇宙新景象。其中的阿貝爾2390星系團與我們的距離約為27億光年。歐幾里德太空望遠鏡拍到的圖像涵蓋阿貝爾2390星系團的5萬個星系，還展示了引力透鏡效應(yīng)所造成的效果：幾條巨型弧線。其局部放大圖更是顯示出星系團內(nèi)部的彌散光線，這些彌散光線發(fā)自脫離了母星系的恒星，有助于確定暗物質(zhì)所在的位置。

歐幾里德太空望遠鏡還將觀察數(shù)十億個星系，繪制一幅橫跨100億光年的3D宇宙地圖，將成為有史以來最為完整的宇宙全息圖，從而幫助我們了解宇宙的演化，揭示暗能量之謎。2024年10月15日，這幅地圖的第一頁被公布出來，其像素高達2080億，約包含1億顆恒星與星系，而這只是整體計劃的1%。

歐幾里德太空望遠鏡為我們展示了見所未見的宇宙奇觀。這些深場圖像蘊含著如此之多的細節(jié)，比我們的設(shè)想更加美麗，銳度也更高。

展 望

歐幾里德太空望遠鏡將首次允許宇宙學(xué)家同時研究暗能量與暗物質(zhì)這兩大宇宙之謎[9]。

歐幾里德太空望遠鏡的初步觀測范圍為130平方度，約為滿月面積的500多倍，未來一年的科學(xué)巡天將覆蓋計劃的15%。正如歐洲航天局局長阿施巴赫（Aschbacher）所說，“歐幾里德太空望遠鏡所拍攝的暗宇宙景象令人敬畏，這是此項雄心勃勃的太空任務(wù)贈予所有參與者的禮物，反映了國際合作的卓越成效，提醒著我們?yōu)槭裁幢仨毶钊胩?，了解更多的宇宙奧秘?！币恍┥顖鲇^測圖像將于2025年春季發(fā)布。首批宇宙學(xué)數(shù)據(jù)將于2026年夏天發(fā)布。這場激動人心的太空探索之旅將會為我們展現(xiàn)那耀眼的暗宇宙之光，讓我們共同期待。

[1]ESA. Euclid： Mapping the geometry of the dark Universe. Definition Study Report， ESA/SRE（2011）12. https：//sci.esa.int/ documents/33220/36137/1567255801368-EUCLID_RB_Issue_1-1_2011-09-29HighQ.pdf.

[2]ESA. What are Lagrangian Point？. （2023-07-01）[2024-05-06]. https：//www.esa.int/Enabling_Support/Operations/What_are_ Lagrange_points.

[3]Bougoin M， Mallet F， Lavenac J， et al.Full-SiC EUCLID’s very large telescope. International Conference on Space Optics-ICSO 2018， Chania， Greece， 2018.

[4]ESA. The Euclid space telescope is coming together. （2020-09-07）[2024-05-06]. https：//www.esa.int/Science_Exploration/Space_ Science/The_Euclid_space_telescope_is_coming_together.

[5]Caldwell R R. Perspectives on Dark Energy. Space Science Reviews， 2009， 148（1-4）： 347-362.

[6]Weinberg D H， Mortonson M J， Eisenstein D J， et al. Observational probes of cosmic acceleration. Physics Reports-Review Section of Physics Letters， 2013，530（2）： 87-255.

[7]ESA.Euclid’s view of the Perseus cluster of galaxies. （2023-11-07）[2024-05-06]. https：//www.esa.int/Science_Exploration/Space_ Science/Euclid.

[8]ESA.Euclid’s view of globular cluster NGC 6397. （2023-11-07）[2024-05-06]. https：//www.esa.int/Science_Exploration/Space_ Science/Euclid/Euclid_s_view_of_globular_cluster_NGC_6397.

[9]ESA.Euclid’s first images： the dazzling edge of darkness. （2023-11-07）[2024-05-06]. https：//www.esa.int/Science_Exploration/Space_ Science/Euclid/Euclid_s_first_images_the_dazzling_edge_of_ darkness.

關(guān)鍵詞：歐幾里德 太空望遠鏡 暗物質(zhì) 暗能量 3D宇空圖 ■