原創(chuàng) 水兄 果殼

北京時(shí)間7月1日，歐洲新一代巡天望遠(yuǎn)鏡“歐幾里得”（Euclid）搭乘美國(guó)SpaceX公司獵鷹9號(hào)火箭進(jìn)入太空，即將展開對(duì)100多億年前宇宙的深度巡天，目標(biāo)直指暗物質(zhì)與暗能量。

運(yùn)載歐幾里得望遠(yuǎn)鏡的獵鷹9號(hào)火箭點(diǎn)火升空 | SpaceX

我們看到的宇宙不到5%

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡，由歐洲航天局（ESA）和歐幾里得聯(lián)盟（EC）共同研發(fā)，長(zhǎng)約4.5米，寬約3.1米，望遠(yuǎn)鏡口徑1.2米，焦距24.5米。其探測(cè)范圍覆蓋可見(jiàn)光到近紅外波段，可見(jiàn)光分辨率為0.1角秒，近紅外分辨率為0.3角秒。

歐幾里得任務(wù)的計(jì)劃是掃描1/3天區(qū)，拍攝數(shù)十億個(gè)河外星系，通過(guò)觀察它們的形狀、測(cè)量它們與地球之間的距離，從而精確測(cè)定哈勃常數(shù)，并據(jù)此來(lái)了解暗能量和暗物質(zhì)的組成。

歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)簡(jiǎn)介 | ESA

暗物質(zhì)和暗能量是宇宙學(xué)最大謎題之一，被譽(yù)為當(dāng)代天文學(xué)的“兩片烏云”。之所以稱其為“暗”，不僅僅因?yàn)榭床灰?jiàn)摸不著，更是因?yàn)槲覀儗?duì)它們不了解。

關(guān)于宇宙中“暗黑天體”的討論由來(lái)已久，最早可以追溯到18世紀(jì)后期，包括拉普拉斯、米歇爾、貝塞爾、開爾文、卡普坦、奧爾特等許多天文學(xué)家，都對(duì)看不見(jiàn)的天體有過(guò)合理推測(cè)，其中有些被認(rèn)為是對(duì)黑洞的最早期研究。

然而這些都不是我們現(xiàn)在所說(shuō)的暗物質(zhì)。

1933年，美籍瑞士裔天文學(xué)家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）注意到，后發(fā)星系團(tuán)中的成員星系以極快的速度運(yùn)動(dòng)，大大超過(guò)了牛頓力學(xué)的預(yù)測(cè)。在估算了星系團(tuán)的尺度和質(zhì)量后，他得出結(jié)論：后發(fā)星系團(tuán)中暗物質(zhì)的數(shù)量比發(fā)光物質(zhì)多得多。

1970年，維拉·魯賓（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）發(fā)現(xiàn)仙女座星系外圍的旋轉(zhuǎn)速度非常高，并不像人們想象的那樣隨著星系中心距離增加而減慢。他們猜測(cè)，有不少于星系質(zhì)量的未被探測(cè)到的物質(zhì)提供了額外的引力，才能使這些星系和星系團(tuán)避免因高速旋轉(zhuǎn)而分崩離析。

后來(lái)，越來(lái)越多的觀測(cè)提供了進(jìn)一步的有關(guān)暗物質(zhì)存在的證據(jù)。現(xiàn)在，大部分天文學(xué)家相信暗物質(zhì)是存在的，但它們究竟是什么物質(zhì)卻一無(wú)所知，因?yàn)樗鼈儾话l(fā)光、不反射光、不折射光、與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用的概率極低，只知道它們存在質(zhì)量，只能通過(guò)動(dòng)力學(xué)特征間接推測(cè)它們?cè)谀膬阂约坝卸嘀亍?/p>

維拉·魯賓發(fā)現(xiàn)M31的旋轉(zhuǎn)曲線（白色）與理論（紅色）不符 | Queens University

如果說(shuō)暗物質(zhì)好歹還能算得上是一種“東西”，那么暗能量更讓人感到迷惑。

1915年愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論與場(chǎng)方程，然而其方程中透露出讓人不安的信息——宇宙并不穩(wěn)定。

比利時(shí)天文學(xué)家喬治·勒梅特（Georges Lema?tre）指出宇宙是在膨脹的。

這個(gè)觀點(diǎn)得到了1929年同樣震驚世界的埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）觀測(cè)結(jié)論的支持。哈勃發(fā)現(xiàn)絕大部分星系正在遠(yuǎn)離我們，且距離越遠(yuǎn)退行速度越快，這是關(guān)于宇宙膨脹的最直接的證據(jù)。

后來(lái)我們把這一規(guī)律命名為“哈勃定律”，2018年正式更名為哈勃–勒梅特定律（Hubble-Lema?tre law）。

此后，伽莫夫、弗里德曼、皮布爾斯等一大批宇宙學(xué)家逐漸完善理論，最終形成了我們?nèi)缃穸炷茉數(shù)拇蟊ɡ碚摗?/p>

20世紀(jì)90年代末，布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）獨(dú)立領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)小組分別得到驚人的發(fā)現(xiàn)：隨著時(shí)間的推移，宇宙的膨脹不僅沒(méi)有減速，反而還在加速——有一種未知的“神秘力量”起到與引力相反的作用，正在推動(dòng)宇宙的膨脹，并且在距今約45億年左右起，宇宙的“斥力”開始大于“引力”。

天文學(xué)家將這股“神秘力量”命名為暗能量，目的是與暗物質(zhì)加以區(qū)分。然而對(duì)于暗能量究竟是什么，我們“一籌莫展”。

宇宙的膨脹速度可能來(lái)自于暗物質(zhì)與暗能量的角力 | University of Victoria

2009 年，歐洲航天局發(fā)射了普朗克衛(wèi)星，它在距離地球150萬(wàn)千米的拉格朗日L2點(diǎn)上對(duì)宇宙微波背景輻射（CMB）進(jìn)行全天空巡天觀測(cè)，這是繼COBE、WMAP之后的第三代CMB 觀測(cè)衛(wèi)星。

這顆彪炳史冊(cè)的衛(wèi)星在50個(gè)月內(nèi)通過(guò)9個(gè)頻段完成4.8次高頻全天掃描和8次低頻全天掃描，以無(wú)與倫比的精度繪制了CMB全天圖。

普朗克衛(wèi)星和根據(jù)它的巡天數(shù)據(jù)繪制的宇宙微波背景圖 | ESA

普朗克衛(wèi)星不僅告訴我們宇宙非常“平坦”，溫度的起伏只有10-5量級(jí)，還告訴了我們宇宙物質(zhì)能量的組成——重子物質(zhì)（普通物質(zhì)）占宇宙密度的4.92%、冷暗物質(zhì)占26.47%、暗能量占68.44%。

換句話說(shuō)，宇宙猶如一座冰山，絕大部分奧秘仍然藏于水面之下！

我們能看見(jiàn)的物質(zhì)，只占宇宙總密度的5%，猶如冰山浮出水面的一角。更多的暗物質(zhì)和暗能量，仍藏于水面之下 | ESA

穿越100億年拍攝20億個(gè)星系

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡將通過(guò)觀測(cè)紅移值z(mì)=2的星系來(lái)探索宇宙膨脹和宇宙結(jié)構(gòu)形成的歷史，相當(dāng)于坐上時(shí)空穿梭機(jī)，回望100億年前的宇宙。

宇宙學(xué)紅移

當(dāng)一個(gè)光源遠(yuǎn)離我們時(shí)，它發(fā)出的光的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)，頻率會(huì)降低，這就是紅移。在宇宙學(xué)中，紅移通常用來(lái)測(cè)量遠(yuǎn)離我們的星系或遙遠(yuǎn)天體的速度。

根據(jù)宇宙學(xué)原理，我們觀察到的紅移是由于宇宙本身的膨脹，而不是天體在空間中的物理運(yùn)動(dòng)。因此，紅移提供了一種測(cè)量宇宙膨脹速度的方法，也可以用來(lái)推斷宇宙的年齡和大小。

星系的形狀與其對(duì)應(yīng)的紅移量之間存在一定關(guān)聯(lián)，這將有助于揭示暗能量如何導(dǎo)致宇宙加速膨脹。

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡可觀測(cè)范圍 | ESA

至于暗物質(zhì)，主要通過(guò)捕捉引力透鏡效應(yīng)來(lái)觀測(cè)。

引力透鏡效應(yīng)是指物質(zhì)（質(zhì)量）引起的光線偏轉(zhuǎn)的效果，即物質(zhì)改變了局部時(shí)空的曲率。

產(chǎn)生引力透鏡效應(yīng)的往往是擁有較大質(zhì)量的星系、星系團(tuán)，它們被稱為透鏡天體。如果它們恰好在視線方向上遮擋了后方更遠(yuǎn)距離的背景星系，那么從背景星系發(fā)出的光，在靠近透鏡天體時(shí)，光線會(huì)彎曲，導(dǎo)致我們觀察到的背景星系會(huì)發(fā)生形變和增亮。

于是，我們可以通過(guò)計(jì)算彎曲程度來(lái)判斷作為透鏡天體的星系團(tuán)的總質(zhì)量，又可以通過(guò)看得見(jiàn)的（可見(jiàn)光與近紅外光）影像來(lái)判斷普通物質(zhì)的質(zhì)量，這樣就能推斷出暗物質(zhì)的數(shù)量，從而進(jìn)一步了解暗物質(zhì)在宇宙中的分布。

通過(guò)一個(gè)矮星系產(chǎn)生的引力透鏡研究星系團(tuán)（中間）暗物質(zhì)分布的示意圖 | NASA/ESA HST, M. Lovell

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡將掃描整個(gè)天空1/3以上的區(qū)域，并繪制多達(dá)20億個(gè)星系的3D分布圖。

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡的主要科學(xué)載荷是2臺(tái)相機(jī)，這些大幅面相機(jī)將用于表現(xiàn)星系的形態(tài)、光度和光譜特性，擁有極高的成像精度。

可見(jiàn)光波段相機(jī)VIS——工作在 530–920納米，由 6×6 個(gè)CCD組成，包含有6億個(gè)像素，可以測(cè)量出星系的變形。

近紅外相機(jī)NISP——由4×4個(gè)紅外探測(cè)器拼接而成，總共有6500萬(wàn)個(gè)像素，主要對(duì) 920–2020納米比較敏感。它提供多色濾光片和光譜儀，可以對(duì)超過(guò)10億個(gè)星系的進(jìn)行光度法低分辨率的測(cè)量，對(duì)數(shù)百萬(wàn)個(gè)星系進(jìn)行高精度光譜紅移測(cè)定。

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡主要載荷 | ESA

值得一提的是，為了盡可能避免陽(yáng)光、地球及人類活動(dòng)的影響，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡也將被部署在日-地拉格朗日L2點(diǎn)，與詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）并肩作戰(zhàn)。那里也是普朗克衛(wèi)星曾經(jīng)戰(zhàn)斗過(guò)的地方。

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡將觀測(cè)全天1/3區(qū)域 | ESA

期待解開五大謎團(tuán)

1. 宇宙網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和歷史是什么？

從更宏大的尺度看，宇宙中的物質(zhì)排列在一個(gè)巨大的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。

這個(gè)“宇宙網(wǎng)”由巨大的星系團(tuán)或超星系團(tuán)組成，它們相互間通過(guò)氣體和看不見(jiàn)的暗物質(zhì)相互連接。而沒(méi)有連接（鏈）的地方存在著巨大的空洞，被稱為“宇宙巨洞”（cosmic voids）。

但是研究宇宙網(wǎng)是困難的，因?yàn)樗罅耍瑒?dòng)輒數(shù)億光年。歐幾里得望遠(yuǎn)鏡將對(duì)超過(guò)三分之一的天空進(jìn)行巡天觀測(cè)，收集數(shù)十億星系的形狀、大小和位置的信息。通過(guò)精確繪制大量星系的形狀和三維分布圖，宇宙網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和歷史有望展現(xiàn)在我們面前。

盡管暗物質(zhì)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是看不見(jiàn)的，但它的存在會(huì)扭曲遙遠(yuǎn)星系的光線，因此，這樣的分布圖中一定也隱藏著暗物質(zhì)在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的分布。

“宇宙網(wǎng)”和“宇宙巨洞”的數(shù)值模擬 | Max Planck Institute for Astrophysics

2. 暗物質(zhì)的性質(zhì)是什么？

雖然暗物質(zhì)概念的提出以及對(duì)它的研究已經(jīng)有了幾十年的歷史，然而我們?nèi)匀徊恢谰烤故悄姆N物質(zhì)、哪種粒子構(gòu)成了暗物質(zhì)。

到目前為止，在對(duì)照了各種宇宙學(xué)模型與實(shí)際測(cè)量結(jié)果后，天文學(xué)家傾向于認(rèn)為大多數(shù)暗物質(zhì)由“冷”粒子（即質(zhì)量較大、移動(dòng)緩慢的粒子）組成。但是，也有一小部分可能由接近光速的較輕的粒子組成，稱為“熱”暗物質(zhì)。

那么問(wèn)題是，“冷”、“熱”暗物質(zhì)比例是怎樣的？“熱”暗物質(zhì)有沒(méi)有可能就是由同樣穿透性很強(qiáng)，極少發(fā)生相互作用的中微子組成的呢？

天文學(xué)家希望歐幾里得望遠(yuǎn)鏡可以通過(guò)對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)的精確測(cè)量來(lái)揭示宇宙中中微子的總質(zhì)量，以及它們可以構(gòu)成多少暗物質(zhì)。

子彈星系團(tuán)中的暗物質(zhì)（藍(lán)色） | X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch, Optical and lensing map: NASA/STScI, Magellan/U.Arizona/D.Clowe, Lensing map: ESO WFI）

3. 宇宙經(jīng)歷了怎樣的膨脹過(guò)程？

宇宙誕生于一次“大爆炸”，由于萬(wàn)有引力的緣故，我們想當(dāng)然地認(rèn)為膨脹會(huì)減速。可上世紀(jì)90年代的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹沒(méi)有減速，反而在加速。

然而，我們目前已知的所有有質(zhì)量的物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生引力，會(huì)阻止膨脹。那么究竟是還有未知的原因，還是我們的理論有問(wèn)題？這是宇宙學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)最引人注目的挑戰(zhàn)之一。

我們希望歐幾里得望遠(yuǎn)鏡能夠告訴我們宇宙的膨脹率是否以及如何隨著時(shí)間的推移而變化。當(dāng)然，還有更進(jìn)一步的問(wèn)題，宇宙的膨脹是否在所有方向上都是相同的。

如果不是這樣，這將違反所謂的宇宙學(xué)原理，我們的宇宙學(xué)理論基石將被動(dòng)搖。

宇宙加速膨脹

4.暗能量的本質(zhì)是什么？

我們不僅想知道宇宙膨脹的細(xì)節(jié)，更想知道是什么產(chǎn)生了這種力量。它究竟是一種“東西”，還是正如天文學(xué)家給它起的名字，只是一種“能量”？

愛(ài)因斯坦曾在1917年提出“宇宙學(xué)常數(shù)”，但那是一個(gè)存在于整個(gè)宇宙中的恒定能量場(chǎng)，當(dāng)時(shí)是為了確保他所支持的穩(wěn)恒態(tài)宇宙。

現(xiàn)在有天文學(xué)家認(rèn)為“宇宙學(xué)常數(shù)”所表示的能量場(chǎng)是空間真空的固有性質(zhì)，空間體積越大，“真空能量”（暗能量）就越多，其影響也將越大。

還有另一種設(shè)想，有一種尚未認(rèn)知的“第五種基本力”，存在于強(qiáng)相互作用（力）、弱相互作用（力）、電磁相互作用（力）和引力以外，作用效果就是導(dǎo)致宇宙空間的膨脹。它在大尺度上顯現(xiàn)，并且是動(dòng)態(tài)的，在整個(gè)空間中分布不均勻。

不知道歐幾里得望遠(yuǎn)鏡是否有可能推動(dòng)揭示暗能量的真實(shí)本質(zhì)。

宇宙的物質(zhì)（左）。我們觀測(cè)到的普通物質(zhì)（右）只占宇宙密度的5% | ESA

5.我們對(duì)引力的理解是否完整？

暗物質(zhì)的存在和宇宙的加速膨脹都表明，我們對(duì)宇宙的理解是非常不完備的，甚至說(shuō)我們有可能還沒(méi)掌握一些最重要的東西。

這兩個(gè)“暗”都與引力相關(guān)，而在四大基本力中，恰恰只有引力沒(méi)有與其他幾個(gè)統(tǒng)一到一起。雖然我們身在地球，每天都在感受它，但是恐怕距離真正理解引力還有很大距離。

盡管愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)對(duì)引力做出的最好的理論解釋，在宇宙的各個(gè)角落中得到了一次又一次完美的驗(yàn)證。然而，在小到基本粒子，大到宇宙尺度，廣義相對(duì)論尚未取得全面勝利。

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡將對(duì)廣義相對(duì)論投上支持票還是反對(duì)票呢？

廣義相對(duì)論將引力解釋為時(shí)空彎曲的效果（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)順利升空，還需要大約1個(gè)月才能抵達(dá)150萬(wàn)千米以外的L2點(diǎn)，之后還要經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的測(cè)試、檢驗(yàn)與校準(zhǔn)，才能真正投入為期6年的巡天觀測(cè)。

而海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)也將經(jīng)過(guò)幾年極為復(fù)雜的處理和分析，最后把成果呈現(xiàn)在我們面前恐怕至少要10年以后了。

或許歐幾里得望遠(yuǎn)鏡不會(huì)像詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡那樣帶給我們炫酷的美圖，但我們有理由相信，它的宇宙全景照將更加震撼我們的心靈。

參考文獻(xiàn)

[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/

作者：水兄

編輯：Steed

封面圖來(lái)源：ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA

一個(gè)AI

10多年的研發(fā)、20個(gè)國(guó)家、80多個(gè)公司、幾百位科學(xué)家和工程師、15億美元天價(jià)資金的投入、簽了一共140多個(gè)大合同……

就為了測(cè)一下宇宙的形狀和演化。

也許，人類這個(gè)物種還有點(diǎn)兒希望？

本文來(lái)自果殼，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載.

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