歐幾里得望遠鏡，能解開宇宙的兩大謎團嗎？

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」，並繪製出一張宇宙三維「地圖」。

據歐空局官網介紹，依據歐幾里得望遠鏡觀測的海量數據，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，並有助於揭開宇宙學的兩大奧秘：暗能量和暗物質。

中國科學院國家天文台研究員鞏岩長期研究暗物質和暗能量模型，是中國巡天空間望遠鏡（CSST）國家天文台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「兩朵烏雲」。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。

太空中的歐幾里得空間望遠鏡（示意圖）。圖/歐空局

人類對95％的宇宙還一無所知

2009年，歐空局發射「普朗克」探測衛星，耗時3年，精準繪製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後，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，包括恆星、行星以及我們生活中的一切，只佔宇宙總能量的5％，暗物質佔27％，暗能量佔68％。

但人們需要解答的問題是，暗物質和暗能量到底是什麼。過去近一個世紀中，許多研究者測量發現，恆星繞星系中心旋轉的速度大於預測結果，猜測存在不可見的物質增大了使得恆星旋轉的引力，科學家將其稱為暗物質。而暗能量是指驅動宇宙加速膨脹的神秘物質。暗物質與普通物質不同，看不見、摸不著、聽不到。過去數十年，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和暗能量的存在，對其性質更一無所知。

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10億歐元研製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，以及一台可見光波長相機和一台近紅外相機，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射幾經波瀾。2022年，歐幾里得望遠鏡建造完成，原計劃搭載俄羅斯火箭，從南美洲發射，但受俄烏戰爭影響，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，發射地點轉移到美國。依據歐空局官網公布的目標，歐幾里得望遠鏡將用於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麼；如果暗能量存在，它的特點是什麼，並根據觀察到的宇宙大規模結構，研究大爆炸後的宇宙狀況。

鞏岩對《中國新聞周刊》介紹說，歐幾里得望遠鏡並不是直接探測暗物質，嚴格地說，對暗物質的探測需要探測到暗物質粒子。暗物質有多種理論假說，其中之一認為，暗物質是重質量粒子。過去數十年，科學家主要通過三種方式探測暗物質：利用大型對撞機，測試能否撞出暗物質粒子；在地下十幾公里建立實驗室，保證其他粒子無法穿透，尋找暗物質與其他物質相互作用的痕迹；在地面或太空探測暗物質「湮滅」或衰變後產生的常見粒子。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粒子的蹤影。

鞏岩解釋說，歐幾里得望遠鏡的工作原理是，假設暗物質存在，通過對宇宙中海量天體的探測，將得到的數據與相關模型進行對照和驗證，來確定或排除相應的暗物質模型。這實際上是一種理論上的「排除法」。「如果人們把暗物質的性質探測得足夠精確，其他理論都無法解釋這個數據，最後只能用暗物質來解釋。」鞏岩說。

歐空局的官方網站介紹，歐幾里得望遠鏡主要通過兩種方式實現科學目標。望遠鏡將測量15億個背景星系，創建宇宙暗物質分布的三維視圖，宇宙學家將藉此推斷宇宙歷史中的星繫結構如何形成，以及星繫結構的生長速度。這與暗物質和暗能量的性質與數量相關。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迹，有助於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別。「哈勃是精測望遠鏡，能清晰拍攝某一小片天區內的天體，只能探測太空中很小的區域，相當於通過『針孔』觀測。」鞏岩說，想要研究暗物質和暗能量，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」。天體發出的光隨著宇宙膨脹被拉伸，會出現「紅移現象」。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30億年後的光。「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，觀測數據量之大在同類型望遠鏡中也前所未有。」鞏岩對《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，通過對宇宙物質分布結構的分析，測量出中微子的質量。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，現有地面實驗無法確認三者的質量排序。粒子物理學的標準模型中，中微子理論上質量為零，但地面實驗和觀測中表明中微子是有質量的。「對三種中微子質量之和的精確測量，對於了解中微子的質量排序，以及其質量獲得的機制有著重要作用。」鞏岩分析說，這對於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，情況並非如此。根據愛因斯坦廣義相對論的預測，一個遙遠星系發出的光，經過星系或者星系團這類大質量天體，受引力影響，會產生輕微彎曲。類似於被置於放大鏡下，其成像形態和亮度都會發生改變，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，它與暗物質的引力場相關，可以從中探測暗物質的密度分布。

鞏岩解釋說，理想狀態下，發光的星系等光源、光經過的大質量物質、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。正式開啟探測後，歐幾里得望遠鏡將通過弱引力透鏡效應來繪製暗物質分布圖。「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，統計效應就出來了。」鞏岩說。

因此，歐幾里得望遠鏡要觀測足夠廣闊的宇宙，鞏岩介紹說，「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，有助於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據來估算紅移。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。」鞏岩說。

這是歐幾里得望遠鏡未來探測面臨的最大挑戰之一。鞏岩介紹，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。歐空局官網也提到，這一望遠鏡需要來自地面望遠鏡的額外數據，以改進紅移測定技術和單個星系的點擴散函數建模。但鞏岩提到，不同望遠鏡如何協同觀測、協同數據處理，對歐幾里得望遠鏡的測量來說將是非常大的挑戰。比如，要面對的挑戰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，儀器參數也不相同等。

近年來，歐洲、中國、美國等多個國家和地區都在致力於暗物質、暗能量的研究和探測。美國國家航空航天局（NASA）正在研製南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，計劃2027年發射。中國兩米口徑的巡天空間望遠鏡（CSST）計劃於2024年發射。這些望遠鏡和歐幾里得有相似的研究方向，用於開展廣域巡天觀測，在宇宙結構形成和演化、暗物質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台研究員詹虎參與了CSST的研製工作，他對媒體表示，CSST擬於2023年底前交付，計劃在2024年發射。據報道，CSST太空飛行器的大小相當於一輛大客車，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20億星系的高質量數據。

NASA研製的南希·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域，但會以更高解析度和更大波長覆蓋範圍探測，兩者的重疊結果可用於互相檢查系統誤差。

這類巡天望遠鏡最終能否揭開暗物質和暗能量的面紗？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·胡克在接受採訪時提到，歐幾里得將在幾個月後發回它對宇宙的「初印象」照片，但科學家還要等待數年時間，才能拿到海量的數據，宣布一些新成果。

發於2023.7.10總第1099期《中國新聞周刊》雜誌

雜誌標題：歐幾里得望遠鏡能解開暗物質之謎嗎？

記者：楊智傑