回望100亿光年，新望远镜升空剑指宇宙暗面

本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：水兄，编辑：Steed，题图来自：视觉中国

北京时间7月1日，欧洲新一代巡天望远镜“欧几里得”（Euclid）搭乘美国SpaceX公司猎鹰9号火箭进入太空，即将展开对100多亿年前宇宙的深度巡天，目标直指暗物质与暗能量。

运载欧几里得望远镜的猎鹰9号火箭点火升空 | SpaceX

我们看到的宇宙不到5%

欧几里得望远镜，由欧洲航天局（ESA）和欧几里得联盟（EC）共同研发，长约4.5米，宽约3.1米，望远镜口径1.2米，焦距24.5米。其探测范围覆盖可见光到近红外波段，可见光分辨率为0.1角秒，近红外分辨率为0.3角秒。

欧几里得任务的计划是扫描1/3天区，拍摄数十亿个河外星系，通过观察它们的形状、测量它们与地球之间的距离，从而精确测定哈勃常数，并据此来了解暗能量和暗物质的组成。

欧几里得空间望远镜任务简介 | ESA

暗物质和暗能量是宇宙学最大谜题之一，被誉为当代天文学的“两片乌云”。之所以称其为“暗”，不仅仅因为看不见摸不着，更是因为我们对它们不了解。

关于宇宙中“暗黑天体”的讨论由来已久，最早可以追溯到18世纪后期，包括拉普拉斯、米歇尔、贝塞尔、开尔文、卡普坦、奥尔特等许多天文学家，都对看不见的天体有过合理推测，其中有些被认为是对黑洞的最早期研究。

然而这些都不是我们现在所说的暗物质。

1933年，美籍瑞士裔天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）注意到，后发星系团中的成员星系以极快的速度运动，大大超过了牛顿力学的预测。在估算了星系团的尺度和质量后，他得出结论：后发星系团中暗物质的数量比发光物质多得多。

1970年，维拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）发现仙女座星系外围的旋转速度非常高，并不像人们想象的那样随着星系中心距离增加而减慢。他们猜测，有不少于星系质量的未被探测到的物质提供了额外的引力，才能使这些星系和星系团避免因高速旋转而分崩离析。

后来，越来越多的观测提供了进一步的有关暗物质存在的证据。现在，大部分天文学家相信暗物质是存在的，但它们究竟是什么物质却一无所知，因为它们不发光、不反射光、不折射光、与普通物质发生相互作用的概率极低，只知道它们存在质量，只能通过动力学特征间接推测它们在哪儿以及有多重。

维拉·鲁宾发现M31的旋转曲线（白色）与理论（红色）不符 | Queens University

如果说暗物质好歹还能算得上是一种“东西”，那么暗能量更让人感到迷惑。

1915年爱因斯坦提出了广义相对论与场方程，然而其方程中透露出让人不安的信息——宇宙并不稳定。

比利时天文学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）指出宇宙是在膨胀的。

这个观点得到了1929年同样震惊世界的埃德温·哈勃（Edwin Hubble）观测结论的支持。哈勃发现绝大部分星系正在远离我们，且距离越远退行速度越快，这是关于宇宙膨胀的最直接的证据。

后来我们把这一规律命名为“哈勃定律”，2018年正式更名为哈勃–勒梅特定律（Hubble-Lemaître law）。

此后，伽莫夫、弗里德曼、皮布尔斯等一大批宇宙学家逐渐完善理论，最终形成了我们如今耳熟能详的大爆炸理论。

20世纪90年代末，布莱恩·施密特（Brian Schmidt）和亚当·里斯（Adam Riess）独立领导的两个小组分别得到惊人的发现：随着时间的推移，宇宙的膨胀不仅没有减速，反而还在加速——有一种未知的“神秘力量”起到与引力相反的作用，正在推动宇宙的膨胀，并且在距今约45亿年左右，宇宙的“斥力”开始大于“引力”。

天文学家将这股“神秘力量”命名为暗能量，目的是与暗物质加以区分。然而对于暗能量究竟是什么，我们“一筹莫展”。

宇宙的膨胀速度可能来自于暗物质与暗能量的角力 | University of Victoria

2009 年，欧洲航天局发射了普朗克卫星，它在距离地球150万千米的拉格朗日L2点上对宇宙微波背景辐射（CMB）进行全天空巡天观测，这是继COBE、WMAP之后的第三代CMB 观测卫星。

这颗彪炳史册的卫星在50个月内通过9个频段完成4.8次高频全天扫描和8次低频全天扫描，以无与伦比的精度绘制了CMB全天图。

普朗克卫星和根据它的巡天数据绘制的宇宙微波背景图 | ESA

普朗克卫星不仅告诉我们宇宙非常“平坦”，温度的起伏只有10^-5量级，还告诉了我们宇宙物质能量的组成——重子物质（普通物质）占宇宙密度的4.92%、冷暗物质占26.47%、暗能量占68.44%。

换句话说，宇宙犹如一座冰山，绝大部分奥秘仍然藏于水面之下！

我们能看见的物质，只占宇宙总密度的5%，犹如冰山浮出水面的一角。更多的暗物质和暗能量，仍藏于水面之下 | ESA

穿越100亿年拍摄20亿个星系

欧几里得望远镜将通过观测红移值z=2的星系来探索宇宙膨胀和宇宙结构形成的历史，相当于坐上时空穿梭机，回望100亿年前的宇宙。

宇宙学红移：当一个光源远离我们时，它发出的光的波长会变长，频率会降低，这就是红移。在宇宙学中，红移通常用来测量远离我们的星系或遥远天体的速度。

根据宇宙学原理，我们观察到的红移是由于宇宙本身的膨胀，而不是天体在空间中的物理运动。因此，红移提供了一种测量宇宙膨胀速度的方法，也可以用来推断宇宙的年龄和大小。

星系的形状与其对应的红移量之间存在一定关联，这将有助于揭示暗能量如何导致宇宙加速膨胀。

欧几里得望远镜可观测范围 | ESA

至于暗物质，主要通过捕捉引力透镜效应来观测。

引力透镜效应是指物质（质量）引起的光线偏转的效果，即物质改变了局部时空的曲率。

产生引力透镜效应的往往是拥有较大质量的星系、星系团，它们被称为透镜天体。如果它们恰好在视线方向上遮挡了后方更远距离的背景星系，那么从背景星系发出的光，在靠近透镜天体时，光线会弯曲，导致我们观察到的背景星系会发生形变和增亮。

于是，我们可以通过计算弯曲程度来判断作为透镜天体的星系团的总质量，又可以通过看得见的（可见光与近红外光）影像来判断普通物质的质量，这样就能推断出暗物质的数量，从而进一步了解暗物质在宇宙中的分布。

通过一个矮星系产生的引力透镜研究星系团（中间）暗物质分布的示意图 | NASA/ESA HST， M. Lovell

欧几里得望远镜将扫描整个天空1/3以上的区域，并绘制多达20亿个星系的3D分布图。

欧几里得望远镜的主要科学载荷是2台相机，这些大幅面相机将用于表现星系的形态、光度和光谱特性，拥有极高的成像精度。

• 可见光波段相机VIS——工作在 530–920纳米，由 6×6 个CCD组成，包含有6亿个像素，可以测量出星系的变形。

  
  

• 近红外相机NISP——由4×4个红外探测器拼接而成，总共有6500万个像素，主要对 920–2020纳米比较敏感。它提供多色滤光片和光谱仪，可以对超过10亿个星系的进行光度法低分辨率的测量，对数百万个星系进行高精度光谱红移测定。

欧几里得望远镜主要载荷 | ESA

值得一提的是，为了尽可能避免阳光、地球及人类活动的影响，欧几里得望远镜也将被部署在日-地拉格朗日L2点，与詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）并肩作战。那里也是普朗克卫星曾经战斗过的地方。

欧几里得望远镜将观测全天1/3区域 | ESA

期待解开五大谜团

1. 宇宙网的结构和历史是什么？

从更宏大的尺度看，宇宙中的物质排列在一个巨大的结构网络中。

这个“宇宙网”由巨大的星系团或超星系团组成，它们相互间通过气体和看不见的暗物质相互连接。而没有连接的地方存在着巨大的空洞，被称为“宇宙巨洞”（cosmic voids）。

但是研究宇宙网是困难的，因为它太大了，动辄数亿光年。欧几里得望远镜将对超过三分之一的天空进行巡天观测，收集数十亿星系的形状、大小和位置的信息。通过精确绘制大量星系的形状和三维分布图，宇宙网的结构和历史有望展现在我们面前。

尽管暗物质对我们来说是看不见的，但它的存在会扭曲遥远星系的光线，因此，这样的分布图中一定也隐藏着暗物质在宇宙大尺度结构中的分布。

“宇宙网”和“宇宙巨洞”的数值模拟 | Max Planck Institute for Astrophysics

2. 暗物质的性质是什么？

虽然暗物质概念的提出以及对它的研究已经有了几十年的历史，然而我们仍然不知道究竟是哪种物质、哪种粒子构成了暗物质。

到目前为止，在对照了各种宇宙学模型与实际测量结果后，天文学家倾向于认为大多数暗物质由“冷”粒子（即质量较大、移动缓慢的粒子）组成。但是，也有一小部分可能由接近光速的较轻的粒子组成，称为“热”暗物质。

那么问题是，“冷”“热”暗物质比例是怎样的？“热”暗物质有没有可能就是由同样穿透性很强，极少发生相互作用的中微子组成的呢？

天文学家希望欧几里得望远镜可以通过对宇宙结构的精确测量，来揭示宇宙中微子的总质量，以及它们可以构成多少暗物质。

子弹星系团中的暗物质（蓝色） | X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch， Optical and lensing map: NASA/STScI， Magellan/U.Arizona/D.Clowe， Lensing map: ESO WFI）

3. 宇宙经历了怎样的膨胀过程？

宇宙诞生于一次“大爆炸”，由于万有引力的缘故，我们想当然地认为膨胀会减速。可上世纪90年代的观测发现，宇宙膨胀没有减速，反而在加速。

然而，我们目前已知的所有有质量的物质都会产生引力，会阻止膨胀。那么究竟是还有未知的原因，还是我们的理论有问题？这是宇宙学和基础物理学最引人注目的挑战之一。

我们希望欧几里得望远镜能够告诉我们宇宙的膨胀率是否以及如何随着时间的推移而变化。当然，还有更进一步的问题，宇宙的膨胀是否在所有方向上都是相同的。

如果不是这样，这将违反所谓的宇宙学原理，我们的宇宙学理论基石将被动摇。

宇宙加速膨胀

4. 暗能量的本质是什么？

我们不仅想知道宇宙膨胀的细节，更想知道是什么产生了这种力量。它究竟是一种“东西”，还是正如天文学家给它起的名字，只是一种“能量”？

爱因斯坦曾在1917年提出“宇宙学常数”，但那是一个存在于整个宇宙中的恒定能量场，当时是为了确保他所支持的稳恒态宇宙。

现在有天文学家认为“宇宙学常数”所表示的能量场是空间真空的固有性质，空间体积越大，“真空能量”（暗能量）就越多，其影响也将越大。

还有另一种设想，有一种尚未认知的“第五种基本力”，存在于强相互作用（力）、弱相互作用（力）、电磁相互作用（力）和引力以外，作用效果就是导致宇宙空间的膨胀。它在大尺度上显现，并且是动态的，在整个空间中分布不均匀。

不知道欧几里得望远镜是否有可能推动揭示暗能量的真实本质。

宇宙的物质（左）。我们观测到的普通物质（右）只占宇宙密度的5% | ESA

5. 我们对引力的理解是否完整？

暗物质的存在和宇宙的加速膨胀都表明，我们对宇宙的理解是非常不完备的，甚至说我们有可能还没掌握一些最重要的东西。

这两个“暗”都与引力相关，而在四大基本力中，恰恰只有引力没有与其他几个统一到一起。虽然我们身在地球，每天都在感受它，但是恐怕距离真正理解引力还有很大距离。

尽管爱因斯坦的广义相对论是几个世纪以来对引力做出的最好的理论解释，在宇宙的各个角落中得到了一次又一次完美的验证。然而，在小到基本粒子，大到宇宙尺度，广义相对论尚未取得全面胜利。

欧几里得望远镜将对广义相对论投上支持票还是反对票呢？

广义相对论将引力解释为时空弯曲的效果

欧几里得望远镜已经顺利升空，还需要大约1个月才能抵达150万千米以外的L2点，之后还要经过几个月的测试、检验与校准，才能真正投入为期6年的巡天观测。

而海量的观测数据也将经过几年极为复杂的处理和分析，最后把成果呈现在我们面前恐怕至少要10年以后了。

或许欧几里得望远镜不会像詹姆斯·韦布望远镜那样带给我们炫酷的美图，但我们有理由相信，它的宇宙全景照将更加震撼我们的心灵。

参考文献

[1]https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid_overview

[2]Euclid Launch Kit

[3]https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/uK8QimYrSfTTEVWXeFBoUw

[5]https://www.euclid-ec.org/science/overview/

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