歐幾里得望遠鏡能解開暗物質(zhì)之謎嗎？

楊智杰

太空中的歐幾里得空間望遠鏡（示意圖）。圖/歐空局

北京時間7月1日晚23時12分，由歐洲空間局（以下簡稱歐空局）設計的歐幾里得空間望遠鏡（以下簡稱歐幾里得望遠鏡）搭乘美國SpaceX公司的獵鷹 9 號火箭，從美國佛羅里達州發(fā)射升空。未來6年，它將勘測超過三分之一的宇宙，為超過10億個星系做“CT掃描”，并繪制出一張宇宙三維“地圖”。

據(jù)歐空局官網(wǎng)介紹，依據(jù)歐幾里得望遠鏡觀測的海量數(shù)據(jù)，可以前所未有地確定過去100億年中宇宙的膨脹和結構演化，并有助于揭開宇宙學的兩大奧秘：暗能量和暗物質(zhì)。

中國科學院國家天文臺研究員鞏巖長期研究暗物質(zhì)和暗能量模型，是中國巡天空間望遠鏡（CSST）國家天文臺科學研究中心常務副主任。他對《中國新聞周刊》介紹說，暗物質(zhì)和暗能量，是目前物理學和天文學最前沿的研究領域，也是籠罩在兩個學科頭頂上的“兩朵烏云”。多個國家都在相關領域攻關，如果將這兩大謎團破解了，對人類來說是非常重大的突破。

人類對95％的宇宙還一無所知

2009年，歐空局發(fā)射“普朗克”探測衛(wèi)星，耗時3年，精準繪制出宇宙微波背景輻射圖，這是宇宙大爆炸時的遺留輻射，被稱為宇宙中最古老的光。2013年，第一幅反映宇宙誕生初期的全景圖公開后，科學家確認，它幾乎完美地驗證了宇宙標準模型。即在宇宙中，所有可見的普通物質(zhì)，包括恒星、行星以及我們生活中的一切，只占宇宙總能量的5％，暗物質(zhì)占27％，暗能量占68％。

但人們需要解答的問題是，暗物質(zhì)和暗能量到底是什么。過去近一個世紀中，許多研究者測量發(fā)現(xiàn)，恒星繞星系中心旋轉的速度大于預測結果，猜測存在不可見的物質(zhì)增大了使得恒星旋轉的引力，科學家將其稱為暗物質(zhì)。而暗能量是指驅動宇宙加速膨脹的神秘物質(zhì)。暗物質(zhì)與普通物質(zhì)不同，看不見、摸不著、聽不到。過去數(shù)十年，天文學家和理論物理學家想盡辦法，都無法直接探測到暗物質(zhì)和暗能量的存在，對其性質(zhì)更一無所知。

2012年，歐幾里得計劃被歐空局選中實施，來自13個歐洲國家、美國、日本等國的2000多名科學家參與了這項計劃，耗資約10億歐元研制完成歐幾里得探測器。如今，這一以幾何學之父命名的探測器，搭載口徑為1.2米的歐幾里得望遠鏡，以及一臺可見光波長相機和一臺近紅??外相機，將在宇宙航行一個月，最終懸停在距地球150萬公里外的拉格朗日點L2。歐幾里德望遠鏡將與詹姆斯·韋伯望遠鏡共享同一位置，共同凝望宇宙深處。

歐幾里得望遠鏡的發(fā)射幾經(jīng)波瀾。2022年，歐幾里得望遠鏡建造完成，原計劃搭載俄羅斯火箭，從南美洲發(fā)射，但受俄烏戰(zhàn)爭影響，歐洲和俄羅斯的航天部門合作終止。2022年底，歐空局找到替代方案，與美國公司SpaceX合作，發(fā)射地點轉移到美國。依據(jù)歐空局官網(wǎng)公布的目標，歐幾里得望遠鏡將用于研究暗能量是否存在，或探明宇宙明顯急速膨脹的原因是什么；如果暗能量存在，它的特點是什么，并根據(jù)觀察到的宇宙大規(guī)模結構，研究大爆炸后的宇宙狀況。

鞏巖對《中國新聞周刊》介紹說，歐幾里得望遠鏡并不是直接探測暗物質(zhì)，嚴格地說，對暗物質(zhì)的探測需要探測到暗物質(zhì)粒子。暗物質(zhì)有多種理論假說，其中之一認為，暗物質(zhì)是重質(zhì)量粒子。過去數(shù)十年，科學家主要通過三種方式探測暗物質(zhì)：利用大型對撞機，測試能否撞出暗物質(zhì)粒子；在地下十幾公里建立實驗室，保證其他粒子無法穿透，尋找暗物質(zhì)與其他物質(zhì)相互作用的痕跡；在地面或太空探測暗物質(zhì)“湮滅”或衰變后產(chǎn)生的常見粒子。但迄今為止，人們窮盡了上述所有辦法，都沒有探測到暗物質(zhì)粒子的蹤影。

鞏巖解釋說，歐幾里得望遠鏡的工作原理是，假設暗物質(zhì)存在，通過對宇宙中海量天體的探測，將得到的數(shù)據(jù)與相關模型進行對照和驗證，來確定或排除相應的暗物質(zhì)模型。這實際上是一種理論上的“排除法”。“如果人們把暗物質(zhì)的性質(zhì)探測得足夠精確，其他理論都無法解釋這個數(shù)據(jù)，最后只能用暗物質(zhì)來解釋。”鞏巖說。

歐空局的官方網(wǎng)站介紹，歐幾里得望遠鏡主要通過兩種方式實現(xiàn)科學目標。望遠鏡將測量15億個背景星系，創(chuàng)建宇宙暗物質(zhì)分布的三維視圖，宇宙學家將借此推斷宇宙歷史中的星系結構如何形成，以及星系結構的生長速度。這與暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)與數(shù)量相關。同時，歐幾里得望遠鏡也將利用重子聲學振蕩，測量宇宙的膨脹率及其變化。重子聲學振蕩可以簡單理解為宇宙早期的聲音波動，它們在宇宙微波背景輻射留下了痕跡，有助于了解宇宙的演化和結構的形成。兩種方式的測量對象是幾乎相同的天體，結果可以交叉檢驗，減小誤差。

作為第四代巡天望遠鏡，歐幾里得和哈勃望遠鏡有明顯區(qū)別。“哈勃是精測望遠鏡，能清晰拍攝某一小片天區(qū)內(nèi)的天體，只能探測太空中很小的區(qū)域，相當于通過‘針孔觀測。”鞏巖說，想要研究暗物質(zhì)和暗能量，望遠鏡要看到更廣袤的宇宙。歐幾里得望遠鏡則是“把針孔拿掉”，在更大的視野中掃描整個宇宙的天體。

此外，歐幾里得望遠鏡也能“看得更遠”。天體發(fā)出的光隨著宇宙膨脹被拉伸，會出現(xiàn)“紅移現(xiàn)象”。紅移越大，天體離人類的距離越遠。歐幾里得同時搭載測量星系形狀的可見光相機，以及測星系亮度和距離的近紅外光譜儀，能觀測到宇宙形成30億年后的光。“它探測宇宙的廣度和深度，都是目前其他望遠鏡無法比擬的，觀測數(shù)據(jù)量之大在同類型望遠鏡中也前所未有。”鞏巖對《中國新聞周刊》說。

歐幾里得望遠鏡的另一個重要科學目標是，通過對宇宙物質(zhì)分布結構的分析，測量出中微子的質(zhì)量。目前，科學家認為，中微子由電子中微子、繆子中微子、陶子中微子三種不同類型的中微子組合而成，現(xiàn)有地面實驗無法確認三者的質(zhì)量排序。粒子物理學的標準模型中，中微子理論上質(zhì)量為零，但地面實驗和觀測中表明中微子是有質(zhì)量的。“對三種中微子質(zhì)量之和的精確測量，對于了解中微子的質(zhì)量排序，以及其質(zhì)量獲得的機制有著重要作用。”鞏巖分析說，這對于中微子乃至基本物理的研究都會有極大推動作用。

無法單獨完成觀測目標

在地球上，光在真空中沿直線傳播，但在更廣闊的宇宙中，情況并非如此。根據(jù)愛因斯坦廣義相對論的預測，一個遙遠星系發(fā)出的光，經(jīng)過星系或者星系團這類大質(zhì)量天體，受引力影響，會產(chǎn)生輕微彎曲。類似于被置于放大鏡下，其成像形態(tài)和亮度都會發(fā)生改變，這被稱為引力透鏡效應。科學家認為，背景光源的扭曲不是隨機的，它與暗物質(zhì)的引力場相關，可以從中探測暗物質(zhì)的密度分布。

鞏巖解釋說，理想狀態(tài)下，發(fā)光的星系等光源、光經(jīng)過的大質(zhì)量物質(zhì)、觀測者三點一線時，引力透鏡效應最強。但在宇宙中，一般情況下，光源只會發(fā)生微弱透鏡效應，使觀測難度增加，這被稱為弱引力透鏡效應。正式開啟探測后，歐幾里得望遠鏡將通過弱引力透鏡效應來繪制暗物質(zhì)分布圖。“雖然單個星系的形狀和亮度變化很小，但這是一個統(tǒng)計概念，如果把幾億、十幾億的星系的形狀和亮度都測一遍，統(tǒng)計效應就出來了。”鞏巖說。

因此，歐幾里得望遠鏡要觀測足夠廣闊的宇宙，鞏巖介紹說，“在設計上，歐幾里得望遠鏡在可見光觀測上只用了一個寬波段，有助于更準確地測量星系形狀。”但大型巡天望遠鏡普遍使用測光紅移技術，即用多個波段的測光數(shù)據(jù)來估算紅移。歐幾里得僅用一個可見光寬波段和幾個近紅外波段，會降低測光紅移的準確度，“紅移測不準，對弱引力透鏡效應的測量也沒辦法十分準確。”鞏巖說。

這是歐幾里得望遠鏡未來探測面臨的最大挑戰(zhàn)之一。鞏巖介紹，如果想圓滿完成科學目標，歐幾里得望遠鏡需要其他望遠鏡的配合。歐空局官網(wǎng)也提到，這一望遠鏡需要來自地面望遠鏡的額外數(shù)據(jù)，以改進紅移測定技術和單個星系的點擴散函數(shù)建模。但鞏巖提到，不同望遠鏡如何協(xié)同觀測、協(xié)同數(shù)據(jù)處理，對歐幾里得望遠鏡的測量來說將是非常大的挑戰(zhàn)。比如，要面對的挑戰(zhàn)包括地面望遠鏡觀測容易受大氣擾動等影響，每一次的觀測效果不同，儀器參數(shù)也不相同等。

近年來，歐洲、中國、美國等多個國家和地區(qū)都在致力于暗物質(zhì)、暗能量的研究和探測。美國國家航空航天局（NASA）正在研制南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，計劃2027年發(fā)射。中國兩米口徑的巡天空間望遠鏡（CSST）計劃于2024年發(fā)射。這些望遠鏡和歐幾里得有相似的研究方向，用于開展廣域巡天觀測，在宇宙結構形成和演化、暗物質(zhì)和暗能量領域開展前沿研究。

2013年，中國巡天空間望遠鏡計劃立項，中國科學院國家天文臺研究員詹虎參與了CSST的研制工作，他對媒體表示，CSST擬于2023年底前交付，計劃在2024年發(fā)射。據(jù)報道，CSST太空飛行器的大小相當于一輛大客車，立起來有3層樓高。“巡天觀測”是CSST的主要使命，它將會覆蓋整個天空面積的40％，積累獲得近20億星系的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

NASA研制的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡的眾多科學目標中，也同樣包含研究宇宙尺度和暗能量，此外，它還將尋找宇宙超新星事件等。但它與中國和歐洲的天文望遠鏡又有所不同。歐空局官方介紹，羅曼和歐幾里得望遠鏡的使命是“互補的”，歐幾里得的測量視野更廣，而羅曼只是勘測較小的區(qū)域，但會以更高分辨率和更大波長覆蓋范圍探測，兩者的重疊結果可用于互相檢查系統(tǒng)誤差。

這類巡天望遠鏡最終能否揭開暗物質(zhì)和暗能量的面紗？英國蘭卡斯特大學天體物理學教授、歐幾里得科學家伊莎貝爾·胡克在接受采訪時提到，歐幾里得將在幾個月后發(fā)回它對宇宙的“初印象”照片，但科學家還要等待數(shù)年時間，才能拿到海量的數(shù)據(jù)，宣布一些新成果。