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?摘要：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。
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
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
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
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来源：中科院物理所