欧洲的欧几里得太空望远镜将怎样看进黑暗的宇宙？

By Tereza Pultarova

2023/7/2

Science & Astronomy

欧几里得的测量可能让爱因斯坦的著名广义相对论成问题。

欧洲的新太空望远镜欧几里得将映射暗物质并搜索宇宙中暗能量的证据 。(Image credit: ESA)

我们的宇宙的理解有一个问题：如果我们仅考虑我们能看到、测量或探测到的物质和能量这没有意义的。

在一系列方程中描述宇宙的物理“规则”的阿尔伯特·爱因斯坦的著名的广义相对论仅在如果有比我们能看到和探测到的五倍多的散布整个宇宙的物质的宇宙尺度上加起来。

这种看不见的物质或暗物质与另一个看不见的实体暗能量一起形成宇宙学中研究宇宙的起源的最大的秘密。虽然暗物质用引力将物质拉到一起，但难以捉摸的暗能量似乎恰好做相反的，将东西推开并造成1998年首次被发现的宇宙的膨胀加速。暗能量和暗物质一起解释宇宙中一个弯曲思维的95%的“物质”，而我们关于这些“物质”近乎什么东西都不知道。

但你怎样研究某些看不见、摸不着或听不到的东西呢？欧洲新的欧几里得望远镜可能已经正好有解决方案。

解决宇宙学最大的秘密

英国兰开斯特大学天体物理学教授、欧几里得科学家伊莎贝尔·胡克（Isobel Hook）告诉太空网站， “暗物质是某些引力以与正常物质相同的方式起作用的东西，但它不与任何光或任何任何东西相互作用因此我们仅通过它对星系和恒星运动的影响知道它在那里，而暗能量是某些我们更最近已经发现的东西，当时我们发现了宇宙的膨胀似乎随着时间越发更快。如果你认为那里只有引力，这没有任何意义。它应该放慢下来”。

胡克是发现这种神秘加速度的团队的一员，该研究的首席研究员美国天文学家索尔·佩尔穆特（Saul Perlmutter）获得了2011年诺贝尔物理学奖。从那以后，就像许多其他天文学家一样，胡克一直希望找出推动宇宙分开的看不见的某些“东西”实际上是什么。新的欧洲欧几里得望远镜于7月1日星期六发射，可能带这个答案一点更近视野中。该航天器配备有一个3英尺11英寸（1.2米）的望远镜，还将从来首次帮助映射暗物质在三维空间的分布。

但当欧几里得不能看到并测量看不见的宇宙时到底它要怎样“揭示” 不能看到的宇宙的存在呢？配备有能够探测可见光和红外光的传感器的该望远镜将加入在拉格朗日点2号著名的詹姆斯韦伯太空望远镜。在这个距离地球约90万英里（150万公里）的区域中，行星和太阳的引力是相等的，保持航天器处在一个相对于地球稳定的位置中。在这里，欧几里得号将被屏蔽免受我们太阳系中心的恒星的耀斑，探究宇宙的深处，回到时间中100亿年前来映射银河系外跨三分之一天空中星系的分布。耗资6.6亿美元的望远镜要用六年多的时间来完成它的勘测。

引力透镜

欧几里得的图像看起来相当像著名的哈勃太空望远镜的深场图像，也将允许天文学家来研究不可见暗物质的引力怎样改变这些图像中就像它们出现一样的星系形状。

胡克解释说，“如果你有一个非常大的物质团块，任何种类的物质，不一定是暗物质，它将弯曲光线，这意味着这种物质背后的任何东西都看起来被扭曲的”。

这些扭曲，也被称为引力透镜效应是微小的------事实上是如此微小由于被地球大气层造成的模糊以致它们不能被基于地面望远镜准确测量。

欧洲航天局欧几里得项目经理久瑟培拉卡告诉太空网站， “效应是非常微小的，不到1%，来检测这种微小的效应是非常困难的。我们需要我们的图像质量是非常非常精确的，并测量许多许多星系能够来推断任何东西”。

通过使用一些相当复杂的数学，天文学家将能够用这些引力透镜测量来计算欧几里得和每个被扭曲星系之间的暗物质的量，允许他们来创建从来第一张暗物质在宇宙中分布的3D映射。

拉卡说，虽然暗物质从未被直接的观测到过，但科学家们相当确定它的存在。

拉卡说，“有以如此多方式暗物质的证据以至于欧几里得相当不太可能通过测量它不存在的引力透镜发现证据，我认为暗物质一定存在，因为只是没有足够的正常物质来生长[星系]结构，让它们以它们是的方式汇聚”。

挑战爱因斯坦的相对论

另一方面，暗能量的存在是不太确定的，正是在这个领域其中欧几里得科学家期望最大的惊奇。赌注是最终阿尔伯特·爱因斯坦的著名且被广泛接受的相对论的验证，该理论声称来捕捉被假定的宇宙中所有物质和能量行为的普遍规则。

     拉卡说，“可能只是广义相对论在宇宙尺度上并不真的起作用，因此暗能量不被需要，如果我们假设广义相对论起作用我们现在需要暗能量。不需要暗能量来生长宇宙结构，来生长恒星和星系”。

多年来，在更小距离上做出的许多实验和观测已经证实了广义相对论。按照拉卡，如果欧几里得的测量把这一理论放进问题，那将是“一个绝对的发现”。

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古代声波的印记

天文学家要发现跨空时星系和星系团分布中存在暗能量的证据。他们相信这种分布不是随机的，而是一个大爆炸后大约30亿年围绕古代宇宙反弹的声波的反映。

胡克说，在这些声波的尾迹中，浮现了更密的气体区域后来诞生了星系。天文学家能在宇宙微波背景中观测到这些模式，这是大爆炸后最初数十万年中穿过浮现的宇宙的第一光的残余物，这今天仍然能被检测到。

胡克说， “在宇宙微波背景中，我们能看到这种模式，就像它在很早的时候看起来的一样，有了欧几里得，我们现在将能够以在天空中的星系模式的时间中离我们远更近的地方测量它。我们将在星系喜欢来聚集的尺度上看到这种印记，在它们喜欢的距离分隔中”。

通过将古老的印记与更新的印记比较，科学家们将能够看到宇宙自它的最早期以来已经膨胀了多少，以及暗能量已经在此过程中可能发挥的角色。

胡克说，“因为暗能量将宇宙推分开，如果有很多暗能量，我们会看到这个尺度比我们会另外有的远更大”。

虽然欧几里得的宇宙的首次观测可能会在几个月内被揭示，但望远镜要用数年时间收集到足够的数据来回答这些重大问题。

胡克说，“在某些真正新的东西被宣布之前可能需要数年时间”。

她补充说，就目前所有模型都指向暗能量是恒定的并且在整个宇宙中均匀分布的存在。然而，一些证据提示事情可能并不都那么简单的。描述宇宙的膨胀速率的哈勃常数在附近的可观测宇宙中并不出现与它在早期宇宙中是相同的，一个某些可能与宇宙学模型不对劲的东西的迹象。

胡克说，“也许我们会有一个惊奇，我只是迫不及待地想找出”。