欧几里得太空望远镜开始在数十亿个星系中搜寻暗物质和能量

这是一个令人振奋又发人深省的想法：宇宙中我们能看到和测量到的所有行星、星系、星光和其他物体只占存在的 5%。其余 95% 被两个谜团——暗物质和暗能量所吞噬，科学家通过它们对周围宇宙的明显引力效应知道它们，但无法直接探测到。

然而，7 月 1 日，欧洲航天局的一项新任务可能会帮助科学家们更接近解决暗物质和暗能量的双重谜团。欧几里得太空望远镜将于美国东部时间上午 11:11 之前从卡纳维拉尔角太空军基地搭乘 SpaceX 猎鹰 9 号火箭升空。美国宇航局将从上午 10:30 开始直播发射

发射后，欧几里得太空望远镜将需要大约 30 天才能到达拉格朗日点 2 (L2) 附近的运行轨道，该区域距离外太阳系一百万英里，欧几里得太空望远镜可以在此保持相对于地球的恒定位置。詹姆斯·韦伯太空望远镜也绕 L2 运行。

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一旦到达目的地并投入使用，欧几里得望远镜将开始为期六年的任务，它将勘测大约三分之一的天空，仔细测量距离我们 100 亿光年以内的数十亿个星系的形状，以了解暗物质和暗能量如何塑造我们的宇宙。为此，这架重约 4,600 磅的太空望远镜将使用其四英尺宽的主镜收集可见光和近红外波长的光并将其聚焦在两台仪器上：可见光仪器相机和近红外光谱仪和光度计，这有助于确定遥远星系的距离。

“欧几里得能够测量如此之多的星系，而且测量精度如此之高，这真是人类工程学的一项了不起的壮举，”麻省理工学院物理学教授林德利·温斯洛说。他设计了探测暗物质的实验，但并未直接参与这项任务。“我们能够进行精确的宇宙学研究，这一事实令人惊叹。”

研究宇宙形成、演化和结构的宇宙学家有一个名为 Lambda-CDM 的模型，该模型或许可以解释万物为何如此。Lambda 是宇宙常数，这种力似乎导致宇宙以加速速度膨胀，科学家认为它与神秘的暗能量有关或以暗能量的形式体现。CDM 代表“冷暗物质”，它与正常物质发生引力相互作用。

温斯洛说：“这两种成分塑造了我们所知的宇宙。”暗能量推动了宇宙的膨胀，而“在早期宇宙中，正是这种冷暗物质将我们现在看到的可见物质拉入势阱，然后使其收缩并形成星系和恒星。”

温斯洛认为，Lambda-CDM 有助于我们理解大尺度宇宙的大部分情况，但它并没有告诉我们它如何与解释小尺度宇宙如何运作的理论——粒子物理学的标准模型——相吻合。欧几里得是进一步了解宇宙如何膨胀和修正 Lambda-CDM 的几种尝试之一。

“我们真正感兴趣的是，我们能否获得更多数据？温斯洛说。“我们能找到 Lambda-CDM 无法解释的东西吗？

为了寻找这一证据，欧几里得将使用一种称为弱引力透镜的技术。这类似于詹姆斯·韦伯太空望远镜采用的强引力透镜技术，其中前景物体（例如星系团）的质量用于放大更远的背景物体。对于弱引力透镜，科学家更感兴趣的是前景物体（包括暗物质）的质量如何对背景星系的形状造成微妙的扭曲。

“我们正在利用背景星系来了解前景中的物质分布，”卡内基梅隆大学的天体物理学家 Rachel Mandelbaum 说道，她是欧几里得联合会美国分部的成员，该联合会是一个由数千名科学家和工程师组成的团体。“我们正试图测量所有物质对我们和不同星系形状的影响。”

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曼德尔鲍姆补充道，这种方法还将帮助他们测量暗能量的影响。由于暗物质有助于所有其他形式的物质聚集在一起，而暗能量抵消了暗物质的引力效应，通过测量距离地球一定范围内物质的团块程度，“我们可以测量宇宙结构的成长情况，并以此推断暗能量对物质分布的影响。”

欧几里得望远镜并非第一个利用弱引力透镜寻找暗物质和暗能量迹象的大型巡天项目，但它将是首个在轨道上进行的此类巡天项目。曼德尔鲍姆表示，此前的研究，如暗能量巡天，都是通过地面望远镜进行的。在太空中进行巡天则具有不同的优势。

“由于地球大气层对遥远恒星和星系光线的影响，地面望远镜看到的图像比太空望远镜看到的更模糊，”曼德尔鲍姆说。当“我们试图测量星系形状中这些非常微妙的扭曲”时，欧几里得从 L2 获得的视野将很有帮助。

但暗物质和暗能量是难以破解的谜团，科学家可以利用他们收集的所有数据，从尽可能多的角度进行研究。维拉·鲁宾天文台目前正在智利建设中，计划于 2025 年投入使用，它将负责地面空间和时间遗产调查，并扫描整个南部天空以寻找类似现象。曼德尔鲍姆表示，这样的努力将有助于确保欧几里得发现的可重复性，反之亦然。

“欧几里得是一系列研究中的一个真正令人兴奋的实验，这些研究试图得出相同的科学结论，但数据集非常不同，假设也不同，”她说。“他们将做一些不同的事情，这让我们能够以不同的方式回答这些关于宇宙的真正基本问题。”