歐幾里得望遠鏡：一位科學家告訴我們他想了解暗物質和暗能量的本質 _歐幾里得

在弗拉姆馬里恩木雕的原始印刷品（1888年）中，一位旅行者將他的頭放在天空的邊緣下。（圖片來源：1888年Flammarion木刻版畫）
據美國太空網（Henk Hoekstra）：這篇文章最初發表在The Conversation上。該出版物將這篇文章貢獻給了Space網站的專家之聲：Op-Ed&Insights 。
Henk Hoekstra是萊頓大學觀測宇宙學教授。
2023年7月1日，歐洲獨特的太空望遠鏡歐幾里得從卡納維拉爾角發射升空。這次發射無疑是我天文學家職業生涯中的亮點，但目睹多年來在火箭上工作的結果并不適合膽小的人。在一次完美的發射后，歐幾里得迅速抵達其計劃軌道，距離地球約150萬公里。從這個遙遠的有利位置，它已經開始發回清晰的圖像，到本世紀末，這些圖像將覆蓋近三分之一的天空。
歐幾里得是我們探索宇宙的下一大步。在過去的一個世紀里，我們取得了巨大的進步。我們已經了解到，氫與氦的融合為像太陽這樣的恒星提供了動力，而我們身體中的大多數原子都是在爆炸后的恒星核心中鍛造而成的。我們發現，銀河系是眾多星系中的一個，它們追蹤著滲透在宇宙中的巨大泡沫狀結構。
我們現在知道，宇宙始于大約136億年前的“大爆炸”，并一直在膨脹。
探索宇宙的黑匣子
這些都是重大成就，但隨著我們了解到更多，也清楚地表明，還有很多我們不了解的地方。例如，大多數質量被認為是“暗物質”，這是一種新的物質形式，在其他方面非常成功的粒子物理標準模型無法解釋。所有這些物質的引力應該會減緩宇宙的膨脹，但大約25年前，我們發現它實際上正在加速。這需要一個更加神秘的組件。為了反映我們的無知——到目前為止，還沒有好的物理解釋存在——我們將其稱為“暗能量” 。暗物質和暗能量加起來占宇宙的95% ，但我們不了解它們的性質。
我們所知道的是，這兩種暗成分都會影響大型結構的形成。暗物質的引力有助于將物質拉到星系甚至更大的物體中。相反，暗能量將事物推開，從而有效地抵消了引力。兩者之間的平衡隨著宇宙的膨脹而演變，暗能量變得越來越占主導地位。細節取決于暗成分的性質，與觀測結果的比較使我們能夠區分不同的理論。這就是歐幾里得誕生的主要原因。它將繪制出物質是如何分布的，以及隨著時間的推移是如何演變的。這些測量可以提供急需的指導，從而更好地了解宇宙的黑暗面。
但是，如果大部分物質是看不見的暗物質，我們如何研究物質的分布？幸運的是，大自然提供了一條方便的前進道路：愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，物質會彎曲周圍的空間。暗物質團通過扭曲更遠星系的形狀來揭示它們的存在，就像游泳池表面的波浪扭曲了底部瓷磚的圖案一樣。

圖1：英仙座星系團的歐幾里得圖像。大的黃色星系是這個大質量物質團的一部分，但我們可以分辨出另外50000個遙遠的星系。（圖片來源：歐空局/歐幾里得聯盟/美國國家航空航天局，圖像處理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi、Fourni par l’auteur完成）

圖1：如果我們放大（右），我們可以看到每個星系都有驚人的細節。得益于大視?。頤塹諞淮慰梢砸勻绱爍叩鬧柿抗鄄斕餃绱舜蟮慕峁?。（圖片來源：歐空局/歐幾里得聯盟/美國國家航空航天局，圖像處理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi、Fourni par l’auteur完成）
引力透鏡及其線索
考慮到與常規光學透鏡的相似性——物理原理不同，但數學原理相同——物質對光線的彎曲被稱為引力透鏡。在極少數情況下，彎曲如此強烈，以至于可以觀察到同一星系的多張圖像。然而，大多數時候，這種影響更為微妙，只是稍微改變了遙遠星系的形狀。盡管如此，如果我們對大量星系的測量結果進行平均，我們就可以發現它們的取向模式，這些模式是由規則和暗物質的介入分布所印記的。
這種“弱透鏡”信號可能沒有那么壯觀，但它確實為我們提供了一種繪制宇宙中物質分布圖的直接方法，尤其是當與測量形狀的星系的距離相結合時。這項技術的潛力在90年代初得到了認可，但也很明顯，測量將具有挑戰性。大氣中的湍流模糊了我們對想要使用的微弱、微小、遙遠星系的看法，而望遠鏡光學系統的缺陷不可避免地會改變觀測到的星系形狀。因此，天文學界對其技術可行性持懷疑態度。這就是我1995年開始攻讀博士學位時的情況，當時我開始了一段證明他們錯了的旅程。

如果物質在視線附近的前景中（右），強透鏡作用（左）以及弱引力透鏡作用如何扭曲星系?。ㄖ行模┑墓鄄廡巫吹乃得鰨罕塵靶竅島臀頤侵淶奈鎦蝕嬖諢岬賈縷湫巫春頭較虻南喔墑д?。如果對天空的很大一部分進行測量，這種失真測量會攜帶有關物質在宇宙時間內分布的寶貴信息。（圖片來源：歐空局/歐幾里得聯盟/美國國家航空航天局，圖像處理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi完成）
多年來，我們使用地面望遠鏡收集的越來越大的數據集，發現并解決了新的問題。根據1990年發射的哈勃太空望遠鏡的觀測結果，我的論文工作已經表明，在太空中部分測量形狀要容易得多。然而，在歐幾里得出現之前，太空望遠鏡只能觀測到微小的天空：2021年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）看到的距離相當于一臂之遙的一粒沙子。然而，要真正測試暗能量的性質，我們需要覆蓋600萬倍以上的區域。這就是歐幾里得望遠鏡的誕生，它是一種獨特的望遠鏡，旨在為15億個星系提供清晰的圖像，以及與這些星系的距離信息。如圖2所示，在一張照片中，我們觀察到的區域比滿月還大。
這些數據得到了大約2500萬個星系的精確距離的補充，可以非常詳細地繪制出遙遠星系的分布圖。
歐幾里得宇宙學協調員
當我開始進入這一研究領域時，暗能量還沒有被發現，而很少有人相信弱透鏡會是研究物質分布的主要工具。事情發生了怎樣的變化。歐幾里得的推出可以說是最壯觀的證明。自2011年以來，歐洲航天局（ESA）仍在考慮將該項目作為其宇宙愿景計劃的一部分，我一直是歐幾里得的宇宙學協調員之一。這意味著我負責確定這次任務的主要特征，特別是與弱引力透鏡有關的特征。這包括指定圖像應該有多清晰，以及我們需要多好地測量星系的形狀。這項工作還涉及與歐洲航天局（ESA）的頻繁互動，以澄清科學目標并找出如何處理新的見解。

圖2：這張照片顯示了歐幾里得相對于滿月大小的視野。一次曝光大約是哈勃太空望遠鏡的100倍，而其清晰度幾乎相同。（圖片來源：歐空局/歐幾里得聯盟/美國國家航空航天局，圖像處理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi、Fourni par l’auteur完成）
由于一個龐大的工程師和科學家團隊的辛勤工作，我們成功地克服了許多技術障礙。我們在疫情期間繼續合作，但由于俄羅斯入侵烏克蘭，我們失去了原定的火箭——歐幾里得計劃用聯盟號火箭發射。值得注意的是，歐空局很快找到了一個解決方案：太空探索技術公司在獵鷹9號上發射。因此，我發現自己在佛羅里達州見證了迄今為止我所有研究的高潮。
歐幾里得障礙課程
從那以后，這就像坐過山車一樣。由于陽光滲入相機，7月份拍攝的第一張照片的噪音比預期的要大。這將是一個嚴重的問題，但最有可能的罪魁禍首——一個突出的推進器，將陽光反射到遮陽板的背面——很快就被確定了，解決方案也是如此。通過稍微旋轉航天器，推進器可以被放置在衛星的陰影下。然而，這意味著對調查計劃進行徹底改革。
問題還不止于此。來自太陽的輻射不斷地推動歐幾里得旋轉，這是通過保持望遠鏡完全穩定的推進器來補償的。只有這樣，我們才能拍出我們需要的清晰的照片。然而，來自太陽的高能粒子干擾了穩定系統，導致望遠鏡有點搖晃。這是通過軟件更新解決的。最近，望遠鏡內部結冰引起了人們的擔憂，但這個問題也得到了成功解決。

圖3：IC342的歐幾里得圖像，一個靠近銀河系平面的螺旋星系。歐幾里得在近紅外波段的靈敏觀測揭示了這個星系的許多細節。（圖片來源：歐空局，Fourni par l’auteur）
為了讓世界了解它的潛力，11月發布了一些上鏡物體的“早期釋放觀測” 。最接近我研究的是英仙座星系團（圖1）。除了大的黃色星系，它們是這個大質量物質團的一部分，歐幾里得還提供了另外50000個星系的詳細圖像。這種程度的細節正是我研究所需要的，但到目前為止，我只有25000張這樣的圖像中的800張！這已經開始：2024年2月15日，歐幾里得開始了它的主要調查，在接下來的2200天里，它將繼續拍攝天空。這些龐大的數據將成為天文學家乃至全世界未來幾年的寶庫。例如，我們可以詳細研究附近數百個星系的結構，如IC342（圖3）。這些圖片只是未來的一個預告片。
本文是the Conversation與歐盟研究與創新雜志《地平線》合作的成果。12月，作者發表了對該雜志的采訪。