欧几里得望远镜能解开暗物质之谜吗？
《中国新闻周刊》记者：杨智杰
发于2023.7.10总第1099期《中国新闻周刊》杂志
北京时间7月1日晚23时12分，由欧洲空间局(以下简称欧空局)设计的欧几里得空间望远镜(以下简称欧几里得望远镜)搭乘美国SpaceX公司的猎鹰 9 号火箭，从美国佛罗里达州发射升空。未来6年，它将勘测超过三分之一的宇宙，为超过10亿个星系做“CT扫描”，并绘制出一张宇宙三维“地图”。
据欧空局官网介绍，依据欧几里得望远镜观测的海量数据，可以前所未有地确定过去100亿年中宇宙的膨胀和结构演化，并有助于揭开宇宙学的两大奥秘：暗能量和暗物质。
中国科学院国家天文台研究员巩岩长期研究暗物质和暗能量模型，是中国巡天空间望远镜(CSST)国家天文台科学研究中心常务副主任。他对《中国新闻周刊》介绍说，暗物质和暗能量，是目前物理学和天文学最前沿的研究领域，也是笼罩在两个学科头顶上的“两朵乌云”。多个国家都在相关领域攻关，如果将这两大谜团破解了，对人类来说是非常重大的突破。
人类对95%的宇宙还一无所知
2009年，欧空局发射“普朗克”探测卫星，耗时3年，精准绘制出宇宙微波背景辐射图，这是宇宙大爆炸时的遗留辐射，被称为宇宙中最古老的光。2013年，第一幅反映宇宙诞生初期的全景图公开后，科学家确认，它几乎完美地验证了宇宙标准模型。即在宇宙中，所有可见的普通物质，包括恒星、行星以及我们生活中的一切，只占宇宙总能量的5%，暗物质占27%，暗能量占68%。
但人们需要解答的问题是，暗物质和暗能量到底是什么。过去近一个世纪中，许多研究者测量发现，恒星绕星系中心旋转的速度大于预测结果，猜测存在不可见的物质增大了使得恒星旋转的引力，科学家将其称为暗物质。而暗能量是指驱动宇宙加速膨胀的神秘物质。暗物质与普通物质不同，看不见、摸不着、听不到。过去数十年，天文学家和理论物理学家想尽办法，都无法直接探测到暗物质和暗能量的存在，对其性质更一无所知。
2012年，欧几里得计划被欧空局选中实施，来自13个欧洲国家、美国、日本等国的2000多名科学家参与了这项计划，耗资约10亿欧元研制完成欧几里得探测器。如今，这一以几何学之父命名的探测器，搭载口径为1.2米的欧几里得望远镜，以及一台可见光波长相机和一台近红外相机，将在宇宙航行一个月，最终悬停在距地球150万公里外的拉格朗日点L2。欧几里德望远镜将与詹姆斯·韦伯望远镜共享同一位置，共同凝望宇宙深处。
欧几里得望远镜的发射几经波澜。2022年，欧几里得望远镜建造完成，原计划搭载俄罗斯火箭，从南美洲发射，但受俄乌战争影响，欧洲和俄罗斯的航天部门合作终止。2022年底，欧空局找到替代方案，与美国公司SpaceX合作，发射地点转移到美国。依据欧空局官网公布的目标，欧几里得望远镜将用于研究暗能量是否存在，或探明宇宙明显急速膨胀的原因是什么；如果暗能量存在，它的特点是什么，并根据观察到的宇宙大规模结构，研究大爆炸后的宇宙状况。
巩岩对《中国新闻周刊》介绍说，欧几里得望远镜并不是直接探测暗物质，严格地说，对暗物质的探测需要探测到暗物质粒子。暗物质有多种理论假说，其中之一认为，暗物质是重质量粒子。过去数十年，科学家主要通过三种方式探测暗物质：利用大型对撞机，测试能否撞出暗物质粒子；在地下十几公里建立实验室，保证其他粒子无法穿透，寻找暗物质与其他物质相互作用的痕迹；在地面或太空探测暗物质“湮灭”或衰变后产生的常见粒子。但迄今为止，人们穷尽了上述所有办法，都没有探测到暗物质粒子的踪影。
巩岩解释说，欧几里得望远镜的工作原理是，假设暗物质存在，通过对宇宙中海量天体的探测，将得到的数据与相关模型进行对照和验证，来确定或排除相应的暗物质模型。这实际上是一种理论上的“排除法”。“如果人们把暗物质的性质探测得足够精确，其他理论都无法解释这个数据，最后只能用暗物质来解释。”巩岩说。
欧空局的官方网站介绍，欧几里得望远镜主要通过两种方式实现科学目标。望远镜将测量15亿个背景星系，创建宇宙暗物质分布的三维视图，宇宙学家将借此推断宇宙历史中的星系结构如何形成，以及星系结构的生长速度。这与暗物质和暗能量的性质与数量相关。同时，欧几里得望远镜也将利用重子声学振荡，测量宇宙的膨胀率及其变化。重子声学振荡可以简单理解为宇宙早期的声音波动，它们在宇宙微波背景辐射留下了痕迹，有助于了解宇宙的演化和结构的形成。两种方式的测量对象是几乎相同的天体，结果可以交叉检验，减小误差。
作为第四代巡天望远镜，欧几里得和哈勃望远镜有明显区别。“哈勃是精测望远镜，能清晰拍摄某一小片天区内的天体，只能探测太空中很小的区域，相当于通过‘针孔’观测。”巩岩说，想要研究暗物质和暗能量，望远镜要看到更广袤的宇宙。欧几里得望远镜则是“把针孔拿掉”，在更大的视野中扫描整个宇宙的天体。
此外，欧几里得望远镜也能“看得更远”。天体发出的光随着宇宙膨胀被拉伸，会出现“红移现象”。红移越大，天体离人类的距离越远。欧几里得同时搭载测量星系形状的可见光相机，以及测星系亮度和距离的近红外光谱仪，能观测到宇宙形成30亿年后的光。“它探测宇宙的广度和深度，都是目前其他望远镜无法比拟的，观测数据量之大在同类型望远镜中也前所未有。”巩岩对《中国新闻周刊》说。
欧几里得望远镜的另一个重要科学目标是，通过对宇宙物质分布结构的分析，测量出中微子的质量。目前，科学家认为，中微子由电子中微子、缪子中微子、陶子中微子三种不同类型的中微子组合而成，现有地面实验无法确认三者的质量排序。粒子物理学的标准模型中，中微子理论上质量为零，但地面实验和观测中表明中微子是有质量的。“对三种中微子质量之和的精确测量，对于了解中微子的质量排序，以及其质量获得的机制有着重要作用。”巩岩分析说，这对于中微子乃至基本物理的研究都会有极大推动作用。
无法单独完成观测目标
在地球上，光在真空中沿直线传播，但在更广阔的宇宙中，情况并非如此。根据爱因斯坦广义相对论的预测，一个遥远星系发出的光，经过星系或者星系团这类大质量天体，受引力影响，会产生轻微弯曲。类似于被置于放大镜下，其成像形态和亮度都会发生改变，这被称为引力透镜效应。科学家认为，背景光源的扭曲不是随机的，它与暗物质的引力场相关，可以从中探测暗物质的密度分布。
巩岩解释说，理想状态下，发光的星系等光源、光经过的大质量物质、观测者三点一线时，引力透镜效应最强。但在宇宙中，一般情况下，光源只会发生微弱透镜效应，使观测难度增加，这被称为弱引力透镜效应。正式开启探测后，欧几里得望远镜将通过弱引力透镜效应来绘制暗物质分布图。“虽然单个星系的形状和亮度变化很小，但这是一个统计概念，如果把几亿、十几亿的星系的形状和亮度都测一遍，统计效应就出来了。”巩岩说。
因此，欧几里得望远镜要观测足够广阔的宇宙，巩岩介绍说，“在设计上，欧几里得望远镜在可见光观测上只用了一个宽波段，有助于更准确地测量星系形状。”但大型巡天望远镜普遍使用测光红移技术，即用多个波段的测光数据来估算红移。欧几里得仅用一个可见光宽波段和几个近红外波段，会降低测光红移的准确度，“红移测不准，对弱引力透镜效应的测量也没办法十分准确。”巩岩说。
这是欧几里得望远镜未来探测面临的最大挑战之一。巩岩介绍，如果想圆满完成科学目标，欧几里得望远镜需要其他望远镜的配合。欧空局官网也提到，这一望远镜需要来自地面望远镜的额外数据，以改进红移测定技术和单个星系的点扩散函数建模。但巩岩提到，不同望远镜如何协同观测、协同数据处理，对欧几里得望远镜的测量来说将是非常大的挑战。比如，要面对的挑战包括地面望远镜观测容易受大气扰动等影响，每一次的观测效果不同，仪器参数也不相同等。
近年来，欧洲、中国、美国等多个国家和地区都在致力于暗物质、暗能量的研究和探测。美国国家航空航天局(NASA)正在研制南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，计划2027年发射。中国两米口径的巡天空间望远镜(CSST)计划于2024年发射。这些望远镜和欧几里得有相似的研究方向，用于开展广域巡天观测，在宇宙结构形成和演化、暗物质和暗能量领域开展前沿研究。
2013年，中国巡天空间望远镜计划立项，中国科学院国家天文台研究员詹虎参与了CSST的研制工作，他对媒体表示，CSST拟于2023年底前交付，计划在2024年发射。据报道，CSST太空飞行器的大小相当于一辆大客车，立起来有3层楼高。“巡天观测”是CSST的主要使命，它将会覆盖整个天空面积的40%，积累获得近20亿星系的高质量数据。
NASA研制的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜的众多科学目标中，也同样包含研究宇宙尺度和暗能量，此外，它还将寻找宇宙超新星事件等。但它与中国和欧洲的天文望远镜又有所不同。欧空局官方介绍，罗曼和欧几里得望远镜的使命是“互补的”，欧几里得的测量视野更广，而罗曼只是勘测较小的区域，但会以更高分辨率和更大波长覆盖范围探测，两者的重叠结果可用于互相检查系统误差。
这类巡天望远镜最终能否揭开暗物质和暗能量的面纱？英国兰卡斯特大学天体物理学教授、欧几里得科学家伊莎贝尔·胡克在接受采访时提到，欧几里得将在几个月后发回它对宇宙的“初印象”照片，但科学家还要等待数年时间，才能拿到海量的数据，宣布一些新成果。
《中国新闻周刊》2023年第25期
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【编辑:孙静波】