回望100億光年，新望遠鏡升空劍指宇宙暗面

北京時間7 月1 日，歐洲新一代巡天望遠鏡“歐幾里得”（Euclid）搭乘美國SpaceX公司獵鷹9號火箭進入太空，即將展開對100多億年前宇宙的深度巡天，目標直指暗物質(zhì)與暗能量。

我們看到的宇宙不到5%

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

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

暗物質(zhì)和暗能量是宇宙學(xué)最大謎題之一，被譽為當代天文學(xué)的“兩片烏云”。之所以稱其為“暗”，不僅僅因為看不見摸不著，更是因為我們對它們不了解。

歐幾里得望遠鏡將觀測。

關(guān)于宇宙中“暗黑天體”的討論由來已久，最早可以追溯到18世紀后期，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，都對看不見的天體有過合理推測，其中有些被認為是對黑洞的最早期研究。

然而這些都不是我們現(xiàn)在所說的暗物質(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)星系團中的成員星系以極快的速度運動，大大超過了牛頓力學(xué)的預(yù)測。在估算了星系團的尺度和質(zhì)量后，他得出結(jié)論：后發(fā)星系團中暗物質(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，有不少于星系質(zhì)量的未被探測到的物質(zhì)提供了額外的引力，才能使這些星系和星系團避免因高速旋轉(zhuǎn)而分崩離析。

后來，越來越多的觀測提供了進一步的有關(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)卻一無所知，因為它們不發(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，只能通過動力學(xué)特征間接推測它們在哪兒以及有多重。

如果說暗物質(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年愛因斯坦提出了廣義相對論與場方程，然而其方程中透露出讓人不安的信息——宇宙并不穩(wěn)定。

比利時天文學(xué)家喬治·勒梅特（Georges Lema?tre）指出宇宙是在膨脹的。這個觀點得到了1929年同樣震驚世界的埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）觀測結(jié)論的支持。哈勃發(fā)現(xiàn)絕大部分星系正在遠離我們，且距離越遠退行速度越快，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）。

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90年代末，布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和亞當·里斯（Adam Riess）獨立領(lǐng)導(dǎo)的兩個小組分別得到驚人的發(fā)現(xiàn)：隨著時間的推移，宇宙的膨脹不僅沒有減速，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。然而對于暗能量究竟是什么，我們“一籌莫展”。

2009 年，歐洲航天局發(fā)射了普朗克衛(wèi)星，它在距離地球150萬千米的拉格朗日L2點上對宇宙微波背景輻射（CMB）進行全天空巡天觀測，這是繼COBE、WMAP之后的第三代CMB 觀測衛(wèi)星。

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

普朗克衛(wèi)星不僅告訴我們宇宙非?！捌教埂?，溫度的起伏只有10-5量級，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，宇宙猶如一座冰山，絕大部分奧秘仍然藏于水面之下！

穿越100億年拍攝20億個星系

歐幾里得望遠鏡將通過觀測紅移值z=2的星系來探索宇宙膨脹和宇宙結(jié)構(gòu)形成的歷史，相當于坐上時空穿梭機，回望100億年前的宇宙。

宇宙學(xué)紅移：當一個光源遠離我們時，它發(fā)出的光的波長會變長，頻率會降低，這就是紅移。在宇宙學(xué)中，紅移通常用來測量遠離我們的星系或遙遠天體的速度。

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動。因此，紅移提供了一種測量宇宙膨脹速度的方法，也可以用來推斷宇宙的年齡和大小。

星系的形狀與其對應(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。

至于暗物質(zhì)，主要通過捕捉引力透鏡效應(yīng)來觀測。

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，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，光線會彎曲，導(dǎo)致我們觀察到的背景星系會發(fā)生形變和增亮。

于是，我們可以通過計算彎曲程度來判斷作為透鏡天體的星系團的總質(zhì)量，又可以通過看得見的（可見光與近紅外光）影像來判斷普通物質(zhì)的質(zhì)量，這樣就能推斷出暗物質(zhì)的數(shù)量，從而進一步了解暗物質(zhì)在宇宙中的分布。

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

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

可見光波段相機VIS——工作在 530–920納米，由 6×6個CCD組成，包含有6億個像素，可以測量出星系的變形。

近紅外相機NISP——由4×4個紅外探測器拼接而成，總共有6500萬個像素，主要對920–2020納米比較敏感。它提供多色濾光片和光譜儀，可以對超過10億個星系的進行光度法低分辨率的測量，對數(shù)百萬個星系進行高精度光譜紅移測定。

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

期待解開五大謎團

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)排列在一個巨大的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。

這個“宇宙網(wǎng)”由巨大的星系團或超星系團組成，它們相互間通過氣體和看不見的暗物質(zhì)相互連接。而沒有連接（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，因為它太大了，動輒數(shù)億光年。歐幾里得望遠鏡將對超過三分之一的天空進行巡天觀測，收集數(shù)十億星系的形狀、大小和位置的信息。通過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)對我們來說是看不見的，但它的存在會扭曲遙遠星系的光線，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。

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，在對照了各種宇宙學(xué)模型與實際測量結(jié)果后，天文學(xué)家傾向于認為大多數(shù)暗物質(zhì)由“冷”粒子（即質(zhì)量較大、移動緩慢的粒子）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)。

那么問題是，“冷”、“熱”暗物質(zhì)比例是怎樣的？“熱”暗物質(zhì)有沒有可能就是由同樣穿透性很強，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鏡可以通過對宇宙結(jié)構(gòu)的精確測量來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)。

3.宇宙經(jīng)歷了怎樣的膨脹過程？

宇宙誕生于一次“大爆炸”，由于萬有引力的緣故，我們想當然地認為膨脹會減速。可上世紀90年代的觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹沒有減速，反而在加速。

然而，我們目前已知的所有有質(zhì)量的物質(zhì)都會產(chǎn)生引力，會阻止膨脹。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鏡能夠告訴我們宇宙的膨脹率是否以及如何隨著時間的推移而變化。當然，還有更進一步的問題，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)理論基石將被動搖。

4.暗能量的本質(zhì)是什么？

我們不僅想知道宇宙膨脹的細節(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”？

愛因斯坦曾在1917年提出“宇宙學(xué)常數(shù)”，但那是一個存在于整個宇宙中的恒定能量場，當時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)家認為“宇宙學(xué)常數(shù)”所表示的能量場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，有一種尚未認知的“第五種基本力”，存在于強相互作用（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)，并且是動態(tài)的，在整個空間中分布不均勻。

不知道歐幾里得望遠鏡是否有可能推動揭示暗能量的真實本質(zhì)。

5.我們對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，我們對宇宙的理解是非常不完備的，甚至說我們有可能還沒掌握一些最重要的東西。

這兩個“暗”都與引力相關(guān)，而在四大基本力中，恰恰只有引力沒有與其他幾個統(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。

盡管愛因斯坦的廣義相對論是幾個世紀以來對引力做出的最好的理論解釋，在宇宙的各個角落中得到了一次又一次完美的驗證。然而，在小到基本粒子，大到宇宙尺度，廣義相對論尚未取得全面勝利。

歐幾里得望遠鏡將對廣義相對論投上支持票還是反對票呢？

歐幾里得望遠鏡已經(jīng)順利升空，還需要大約1個月才能抵達150萬千米以外的L2點，之后還要經(jīng)過幾個月的測試、檢驗與校準，才能真正投入為期6年的巡天觀測。

而海量的觀測數(shù)據(jù)也將經(jīng)過幾年極為復(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。

或許歐幾里得望遠鏡不會像詹姆斯·韋布望遠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。

我們能看見的物質(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。