欧几里德太空望远镜：探秘暗宇宙之光

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2025-01-19 15:14

正文

欧几里德太空望远镜于2023年发射升空。这台代表着先进技术的望远镜能否揭开“暗物质”与“暗能量”之谜?

欧几里德太空望远镜(Euclid space telescope)以解开宇宙的两大谜团：暗能量(dark energy)和暗物质(dark matter)为目标，将带领我们重新认识宇宙。

2023年7月1日，欧几里德太空望远镜搭乘SpaceX可回收式中型运载火箭“猎鹰9号”，从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角太空基地发射升空。历经30天的飞行，欧几里德太空望远镜抵达距离地球150万千米(约地-月距离的4倍)的日地拉格朗日L2点，并绕该点进行半径为40万~80万千米，周期约为6个月的轨道运行。欧几里德太空望远镜项目^[1]的前身为欧洲航天局于2007年3月征集到的“沙丘”项目(暗宇宙探测器)和 “太空”项目(光谱全天宇宙探测器)，因二者均以探测暗能量、测量宇宙几何为己任，欧洲航天局将两者合二为一，以古希腊数学家、《几何原本》的作者欧几里德(Euclid)命名。

欧几里德太空望远镜耗资15亿美元，由欧洲航天局主导、建造和运营，NASA贡献资金和技术。欧几里德太空望远镜高约4.7米，直径约3.7米，在轨质量为2吨，包含 850千克的服务模块、800千克的载荷模块、210千克的推进剂和40千克的平衡质量。望远镜的直径为1.2米，位于载荷模块，还包括一台可见波长相机，又称可见光仪器和一台近红外光谱仪和光度计。根据推进器剂量，预计欧几里德太空望远镜将开展至少为期6年的巡天任务，将探测15000平方度(约占1/3全天区)的天区，观察距地球100亿光年的星系，并绘制3D“宇空图”。

科技美学

太空望远镜在浩瀚的宇宙中进行观测，既要考虑观测范围，又要注重观测精度，更要保证科学仪器的正常运行。欧几里德太空望远镜的三个组成部分为遮阳板、圆柱体和服务区。材料颜色为金色、银色、白色和黑色。在太空中，金色和银色的隔热材料会使两面形成上百度的温差。望远镜上端镜筒和中端图像传感器被涂成白色，因二者需在极低温的工作条件下运行，而白色材料可有效地实现热量发散。服务区中的设备因对温度要求不高，被涂成黑色。太阳板正对着太阳，为整个航天器提供了超过2千瓦的电能，同时为望远镜遮挡了光线。

太阳板同侧下方有两台天线，一台位于日地拉格朗日L2点，通过机械臂伸展出去，指向地球，传输观测数据，另一台为指令天线，目的是监控飞行姿态和检测信息。日地拉格朗日L2点是理想的位置^[2]。在这一位置，所需的能量足够低，观测视野足够大。但处于日地拉格朗日L2点的晕轨道的望远镜如同马鞍中间的圆珠，受力就会偏向。为“束缚”望远镜的位置，需借自身推进器加以维持。其光学导星镜被金色材料包裹，会根据星星在天空中的位置调整自身指向，在这一过程中，微型助推器将进行矫正，每个助推器可产生10微牛的力，由此可以衡量欧几里德太空望远镜项目的时长。

欧几里德太空望远镜的陶瓷结构由碳化硅粉末经严苛复杂工艺流程铸造后抛光镀银而成。相比金属，碳化硅更不易受温度变化的影响、更稳定、不变形，可有效提高光学系统的聚焦观测能力^[3]。碳化硅坚硬，密度比玻璃小得多，为航天仪器和望远镜的首选材料。但碳化硅极脆，要将仪器由火箭送入太空，还能保持良好的工作状态，是一项极大的挑战。正如欧洲航天局工程师路易斯(Luis)所说，“我们正在将一切制造水平推向极限^[4]。”

欧几里德太空望远镜主镜后有一个特殊组件，即二向色过滤器。它将收集到的光线一分为二，分别为可见光和红外光，前者传递给可见光仪器，后者传递给近红外光谱仪和光度计。可见光仪器的观测敏感范围为550~900纳米，为了对大部分天空拍摄非常清晰的星系图像，使用了36个电荷耦合器件，其中每一个拥有多于4000×4000的像素，排列在6×6的网格中，平均图像分辨率约为0.23角秒，望远镜像素约达6亿，相当于70个4K显示屏，且因不受大气影响，拍摄的图像至少比地面所拍的清晰4倍。可见光仪器视野很广，一次成像面积约0.56平方度，近于3个满月的面积。它可拍摄24.5星等，比肉眼可见的最暗的星还暗上2500万倍。近红外光谱仪和光度计搭载了16个汞碲镉近红外传感器，其中每一个拥有多于2000×2000的像素，视场约0.55平方度。它包含相机和无缝光谱仪。相机可观测波长为900~2000纳米的三类波，像素为6500万，可拍摄24星等，比肉眼可见的最暗的星暗上1600万倍。光谱仪可将波长为1100~2000纳米的近红外线辐射分解为光谱，确定出星系光谱红移。

科学任务

探索暗物质

根据对宇宙微波背景辐射的观测结果和数据分析可以发现，宇宙总质量中含有约4%的可感可见物质，而约96%的是感觉不到而又存在的物质，如同“空气”。后者被称为“暗物质”。

暗物质和暗能量

暗物质虽不能被人观察到，但有种种科学分析可以证明它的存在。它是一种未知粒子的集合，且对宇宙中的引力场具有影响。人们起初认为暗物质是大气中的氢原子。但这些“新粒子”不与光发生相互作用，虽会产生力，但普通望远镜无法看到它们，科学家假设这可能就是暗物质。1990年代，宇宙背景探测者卫星显示出宇宙微波背景辐射有微弱的温度变化。波动由整个宇宙中原子分布的差异而产生，但还不足以成为我们所见的星系团，因此一定有什么不可见的东西影响到它。1930年代，天文学家兹威基(Zwicky)通过测量星系在后发星系团中移动的速度，结合星系团中可见物质的质量，发现它们的移动速度比预期的要快很多。宇宙学家发现，在解释星系的移动时，若将暗物质纳入计算模型，将很好地吻合这种令人琢磨不透的速度。此外，虽然暗物质不能为人类直接所见，但它通过“引力透镜效应”展现了扭曲的星系光线。

欧几里德太空望远镜将试图探索暗物质对宇宙结构的影响。“宇宙网”是由引力所形成的丝状结构，遍布整个宇宙，编织起各种可见和不可见的物质(“宇宙空洞”)。其中的丝状物由暗物质维系。暗物质细丝之间的交叉点使星系紧紧地联系在一起，形成星系团。欧几里德太空望远镜将收集约1/3天区的数十亿个星系的形状、大小、位置的信息，通过观测宇宙深场，提供锐度极高的图像，并准确绘制数量庞大的星系的形状和分布图，找到星系团，这将有助于我们了解“宇宙网”的结构和历史，并通过星系团的分布来描绘出暗物质分布在宇宙之中的3D视图。

ΛCDM宇宙模型是一种广受认可的模型，其中的CDM是一个缓慢移动的暗物质类(非相对论粒子)的“冷”暗物质，这意味它们很重且移动速度相对缓慢，似乎由中微子组成，而移动速度接近光速的暗物质则被称为“热”暗物质。它们与正常物质的相互作用非常弱，似乎远远低于目前使用的最佳探测器的阈值。粒子物理学家致力于建造更加灵敏的探测器。欧几里德太空望远镜担当此任，它将通过观测宇宙结构的形成，揭示宇宙中的中微子的总质量，并通过“弱引力透镜效应”扭曲遥远星系图像的方式来分析暗物质的分布，对其进行“断层扫描”。一旦探测出暗物质行为，将为科学提供有价值的线索。

探索暗能量

暗能量由爱因斯坦引力场方程而来，该式会导致一个可以收缩的宇宙，为使宇宙保持静态，爱因斯坦将 “宇宙常数”引入方程。可爱因斯坦声称引入宇宙常数是自己所犯的最大错误。因为宇宙的确在不断膨胀。而后的宇宙观测发现宇宙不仅在膨胀，并且在加速膨胀。宇宙中的物质力会抵抗膨胀，因此膨胀本应减慢，但事实恰好相反。宇宙学家假设，正是“暗能量”驱动了宇宙的加速膨胀^[5]，“暗能量”也成为“宇宙常数”的代名词^[6]。根据欧洲航天局的最新估计，暗能量应占宇宙物质能量密度的68%，此时理论计算与实际观测最为吻合。

我们不知道暗能量是什么，无法确定它的组成，甚至不确定它是否是一种能量。有科学家认为“真空不空”，把“暗能量”称为“真空能”，把这种力称为“真空力”。假如“真空”被证实确有力的属性，那么“真空力”就成为继万有引力、电磁力、强力、弱力之后的第五种自然力。“真空”可能就是占宇宙68%的“暗能量”。

欧几里德太空望远镜将通过扫描1/3天区，观察100亿光年外的光，以广阔视角调查宇宙的各个方向(等同性)和各个位置(同质性)的扩展是否相同，告诉我们宇宙的膨胀如何随着时间的变化而变化。通过研究宇宙的重子声学振荡，即早期宇宙的振荡所留下的痕迹，欧几里德太空望远镜可以准确测量过去100亿年以来的宇宙膨胀历史，从而检验暗能量的候选模型。

最新发现

2023年11月7日，欧洲航天局公布了欧几里德太空望远镜所拍摄的第一组全彩宇宙图：耀眼的暗黑边缘。其中包括英仙座星系团。该星系团是宇宙中已知质量最大的结构之一，距离地球2.4亿光年。它的1000个星系和背景中更远的10万多个星系中的每一个都包含了多达数千亿颗恒星。很多星系距离我们十分遥远，之前并未被我们所见，它们中的一些光走了100亿年才到达此处。欧几里德太空望远镜项目的科学家屈扬德尔(Cuillandre)解释道，“如果没有暗物质，星系将均匀分布在整个宇宙中。只有当宇宙中存在暗物质时，像英仙这样的星系团才能形成^[7]。”

欧几里德太空望远镜还拍到了一个类似于银河系的螺旋星系，叫作IC 342，也称“隐藏星系”，因它位于银河系后方，且被尘埃、气体和恒星所遮蔽。欧几里德太空望远镜难以置信地以极高的锐度完成了拍摄，这得益于它所搭载的具有穿透尘埃功能且能捕捉到低温、低质量恒星光的近红外光谱仪和光度计。欧洲航天局科学家洪特(Hunt)说，“IC 342类似银河系，我们可以通过它而学习到很多关于银河系的知识。它看似平常，但我们可放大来区分单星和星团。它能帮助我们追溯恒星形成的历史，了解恒星在银河系的一生中是如何形成和进化的。”

宇宙中的大多数星系在早期看起来都是不规则的、小的，不像一个整齐的、规则的螺旋，可它们是形成大星系的基础。欧几里德太空望远镜观测到了NGC 6822矮星系，它看起来不像一个星系，更像是一团细雾。它距离地球只有160万光年，与银河系同属于一个星系团。NGC 6822含有低比例的非氢、非氦的金属丰度，因氢和氦很大程度上是由恒星在进化中产生。研究NGC 6822将帮助我们了解星系在早期宇宙中的进化过程。NGC 6397则是数十万颗恒星由引力集合在一起的球状星团，距离地球约7800光年，是离我们第二近的球状星团。欧洲航天局的科学家马尔马萨里(Massari)说，“除了欧几里德太空望远镜外，没有其他望远镜能够观测到球状星团，同时将其外部区域的微弱恒星与其他宇宙源区分开^[8]。” 马尔马萨里想探索球状星团的“潮汐尾”(潮汐尾是先前与星系的相互作用而延伸到星团之外的恒星轨迹)，从而非常精确地计算星系团如何围绕我们的星系运行，以便告诉我们暗物质是如何在银河系中分布的。

欧几里德太空望远镜所拍摄的马头星云

欧几里德太空望远镜展示了马头星云的壮观全景和详细视图。它与我们的距离约为1375光年，是距离地球最近的巨型恒星形成区，位于猎户座著名的三星带的最东端，也是巨大的猎户座分子云的一部分，因看起来像马头而得此称谓，也被称为Barnard 33。恒星是在非常特殊的条件下形成的。而这些特殊的情况是由位于马头星云上方且非常明亮的猎户座西格玛星(Sigma Orionis)所发出的辐射而造成的。

2024年5月23日，欧洲航天局公布了欧几里德太空望远镜所拍摄的5幅宇宙新景象。其中的阿贝尔2390星系团与我们的距离约为27亿光年。欧几里德太空望远镜拍到的图像涵盖阿贝尔2390星系团的5万个星系，还展示了引力透镜效应所造成的效果：几条巨型弧线。其局部放大图更是显示出星系团内部的弥散光线，这些弥散光线发自脱离了母星系的恒星，有助于确定暗物质所在的位置。

欧几里德太空望远镜还将观察数十亿个星系，绘制一幅横跨100亿光年的3D宇宙地图，将成为有史以来最为完整的宇宙全息图，从而帮助我们了解宇宙的演化，揭示暗能量之谜。2024年10月15日，这幅地图的第一页被公布出来，其像素高达2080亿，约包含1亿颗恒星与星系，而这只是整体计划的1%。

欧几里德太空望远镜为我们展示了见所未见的宇宙奇观。这些深场图像蕴含着如此之多的细节，比我们的设想更加美丽，锐度也更高。

展望

欧几里德太空望远镜将首次允许宇宙学家同时研究暗能量与暗物质这两大宇宙之谜^[9]。

欧几里德太空望远镜的初步观测范围为130平方度，约为满月面积的500多倍，未来一年的科学巡天将覆盖计划的15%。正如欧洲航天局局长阿施巴赫(Aschbacher)所说，“欧几里德太空望远镜所拍摄的暗宇宙景象令人敬畏，这是此项雄心勃勃的太空任务赠予所有参与者的礼物，反映了国际合作的卓越成效，提醒着我们为什么必须深入太空，了解更多的宇宙奥秘。”一些深场观测图像将于2025年春季发布。首批宇宙学数据将于2026年夏天发布。这场激动人心的太空探索之旅将会为我们展现那耀眼的暗宇宙之光，让我们共同期待。

参考文献：

[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.

关键词：欧几里德太空望远镜暗物质暗能量 3D宇空图

来源：科学杂志1915