欧几里得望远镜：一位科学家告诉我们他想了解暗物质和暗能量的本质

何一方88

在弗拉姆马里恩木雕的原始印刷品（1888年）中，一位旅行者将他的头放在天空的边缘下。（图片来源：1888年Flammarion木刻版画）

据美国太空网（Henk Hoekstra）：这篇文章最初发表在The Conversation上。该出版物将这篇文章贡献给了Space网站的专家之声：Op-Ed&Insights。

Henk Hoekstra是莱顿大学观测宇宙学教授。

2023年7月1日，欧洲独特的太空望远镜欧几里得从卡纳维拉尔角发射升空。这次发射无疑是我天文学家职业生涯中的亮点，但目睹多年来在火箭上工作的结果并不适合胆小的人。在一次完美的发射后，欧几里得迅速抵达其计划轨道，距离地球约150万公里。从这个遥远的有利位置，它已经开始发回清晰的图像，到本世纪末，这些图像将覆盖近三分之一的天空。

欧几里得是我们探索宇宙的下一大步。在过去的一个世纪里，我们取得了巨大的进步。我们已经了解到，氢与氦的融合为像太阳这样的恒星提供了动力，而我们身体中的大多数原子都是在爆炸后的恒星核心中锻造而成的。我们发现，银河系是众多星系中的一个，它们追踪着渗透在宇宙中的巨大泡沫状结构。

我们现在知道，宇宙始于大约136亿年前的“大爆炸”，并一直在膨胀。

探索宇宙的黑匣子

这些都是重大成就，但随着我们了解到更多，也清楚地表明，还有很多我们不了解的地方。例如，大多数质量被认为是“暗物质”，这是一种新的物质形式，在其他方面非常成功的粒子物理标准模型无法解释。所有这些物质的引力应该会减缓宇宙的膨胀，但大约25年前，我们发现它实际上正在加速。这需要一个更加神秘的组件。为了反映我们的无知——到目前为止，还没有好的物理解释存在——我们将其称为“暗能量”。暗物质和暗能量加起来占宇宙的95%，但我们不了解它们的性质。

我们所知道的是，这两种暗成分都会影响大型结构的形成。暗物质的引力有助于将物质拉到星系甚至更大的物体中。相反，暗能量将事物推开，从而有效地抵消了引力。两者之间的平衡随着宇宙的膨胀而演变，暗能量变得越来越占主导地位。细节取决于暗成分的性质，与观测结果的比较使我们能够区分不同的理论。这就是欧几里得诞生的主要原因。它将绘制出物质是如何分布的，以及随着时间的推移是如何演变的。这些测量可以提供急需的指导，从而更好地了解宇宙的黑暗面。

但是，如果大部分物质是看不见的暗物质，我们如何研究物质的分布？幸运的是，大自然提供了一条方便的前进道路：爱因斯坦的广义相对论告诉我们，物质会弯曲周围的空间。暗物质团通过扭曲更远星系的形状来揭示它们的存在，就像游泳池表面的波浪扭曲了底部瓷砖的图案一样。



图1：英仙座星系团的欧几里得图像。大的黄色星系是这个大质量物质团的一部分，但我们可以分辨出另外50000个遥远的星系。（图片来源：欧空局/欧几里得联盟/美国国家航空航天局，图像处理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi、Fourni par l’auteur完成）



图1：如果我们放大（右），我们可以看到每个星系都有惊人的细节。得益于大视场，我们第一次可以以如此高的质量观察到如此大的结构。（图片来源：欧空局/欧几里得联盟/美国国家航空航天局，图像处理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi、Fourni par l’auteur完成）

引力透镜及其线索

考虑到与常规光学透镜的相似性——物理原理不同，但数学原理相同——物质对光线的弯曲被称为引力透镜。在极少数情况下，弯曲如此强烈，以至于可以观察到同一星系的多张图像。然而，大多数时候，这种影响更为微妙，只是稍微改变了遥远星系的形状。尽管如此，如果我们对大量星系的测量结果进行平均，我们就可以发现它们的取向模式，这些模式是由规则和暗物质的介入分布所印记的。

这种“弱透镜”信号可能没有那么壮观，但它确实为我们提供了一种绘制宇宙中物质分布图的直接方法，尤其是当与测量形状的星系的距离相结合时。这项技术的潜力在90年代初得到了认可，但也很明显，测量将具有挑战性。大气中的湍流模糊了我们对想要使用的微弱、微小、遥远星系的看法，而望远镜光学系统的缺陷不可避免地会改变观测到的星系形状。因此，天文学界对其技术可行性持怀疑态度。这就是我1995年开始攻读博士学位时的情况，当时我开始了一段证明他们错了的旅程。



如果物质在视线附近的前景中（右），强透镜作用（左）以及弱引力透镜作用如何扭曲星系场（中心）的观测形状的说明：背景星系和我们之间的物质存在会导致其形状和方向的相干失真。如果对天空的很大一部分进行测量，这种失真测量会携带有关物质在宇宙时间内分布的宝贵信息。（图片来源：欧空局/欧几里得联盟/美国国家航空航天局，图像处理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi完成）

多年来，我们使用地面望远镜收集的越来越大的数据集，发现并解决了新的问题。根据1990年发射的哈勃太空望远镜的观测结果，我的论文工作已经表明，在太空中部分测量形状要容易得多。然而，在欧几里得出现之前，太空望远镜只能观测到微小的天空：2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）看到的距离相当于一臂之遥的一粒沙子。然而，要真正测试暗能量的性质，我们需要覆盖600万倍以上的区域。这就是欧几里得望远镜的诞生，它是一种独特的望远镜，旨在为15亿个星系提供清晰的图像，以及与这些星系的距离信息。如图2所示，在一张照片中，我们观察到的区域比满月还大。

这些数据得到了大约2500万个星系的精确距离的补充，可以非常详细地绘制出遥远星系的分布图。

欧几里得宇宙学协调员

当我开始进入这一研究领域时，暗能量还没有被发现，而很少有人相信弱透镜会是研究物质分布的主要工具。事情发生了怎样的变化。欧几里得的推出可以说是最壮观的证明。自2011年以来，欧洲航天局（ESA）仍在考虑将该项目作为其宇宙愿景计划的一部分，我一直是欧几里得的宇宙学协调员之一。这意味着我负责确定这次任务的主要特征，特别是与弱引力透镜有关的特征。这包括指定图像应该有多清晰，以及我们需要多好地测量星系的形状。这项工作还涉及与欧洲航天局（ESA）的频繁互动，以澄清科学目标并找出如何处理新的见解。



图2：这张照片显示了欧几里得相对于满月大小的视野。一次曝光大约是哈勃太空望远镜的100倍，而其清晰度几乎相同。（图片来源：欧空局/欧几里得联盟/美国国家航空航天局，图像处理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi、Fourni par l’auteur完成）

由于一个庞大的工程师和科学家团队的辛勤工作，我们成功地克服了许多技术障碍。我们在疫情期间继续合作，但由于俄罗斯入侵乌克兰，我们失去了原定的火箭——欧几里得计划用联盟号火箭发射。值得注意的是，欧空局很快找到了一个解决方案：太空探索技术公司在猎鹰9号上发射。因此，我发现自己在佛罗里达州见证了迄今为止我所有研究的高潮。

欧几里得障碍课程

从那以后，这就像坐过山车一样。由于阳光渗入相机，7月份拍摄的第一张照片的噪音比预期的要大。这将是一个严重的问题，但最有可能的罪魁祸首——一个突出的推进器，将阳光反射到遮阳板的背面——很快就被确定了，解决方案也是如此。通过稍微旋转航天器，推进器可以被放置在卫星的阴影下。然而，这意味着对调查计划进行彻底改革。

问题还不止于此。来自太阳的辐射不断地推动欧几里得旋转，这是通过保持望远镜完全稳定的推进器来补偿的。只有这样，我们才能拍出我们需要的清晰的照片。然而，来自太阳的高能粒子干扰了稳定系统，导致望远镜有点摇晃。这是通过软件更新解决的。最近，望远镜内部结冰引起了人们的担忧，但这个问题也得到了成功解决。



图3：IC342的欧几里得图像，一个靠近银河系平面的螺旋星系。欧几里得在近红外波段的灵敏观测揭示了这个星系的许多细节。（图片来源：欧空局，Fourni par l’auteur）

为了让世界了解它的潜力，11月发布了一些上镜物体的“早期释放观测”。最接近我研究的是英仙座星系团（图1）。除了大的黄色星系，它们是这个大质量物质团的一部分，欧几里得还提供了另外50000个星系的详细图像。这种程度的细节正是我研究所需要的，但到目前为止，我只有25000张这样的图像中的800张！这已经开始：2024年2月15日，欧几里得开始了它的主要调查，在接下来的2200天里，它将继续拍摄天空。这些庞大的数据将成为天文学家乃至全世界未来几年的宝库。例如，我们可以详细研究附近数百个星系的结构，如IC342（图3）。这些图片只是未来的一个预告片。

本文是the Conversation与欧盟研究与创新杂志《地平线》合作的成果。12月，作者发表了对该杂志的采访。