欧洲航天局欧几里德任务：寻找暗物质和暗

　　艺术家对欧空局欧几里德飞船的印象。 (Image credit: ESA/ATG medialab (spacecraft); NASA, ESA, CXC, C. Ma, H. Ebeling and E. Barrett (University of Hawaii/IfA), et al. and STScI (background))

　　据美国太空网（By Keith Cooper）：欧洲航天局的欧几里德任务将绘制宇宙中物质的几何形状，特别是星系分布的形式，以了解更多关于宇宙中我们看不到的部分——暗能量和暗物质。

　　欧几里德任务的目标是在其预期的六年生命周期中，绘制过去100亿年宇宙历史中的15亿个星系。

　　欧几里德预计将于2023年7月至9月之间的某个时候在佛罗里达州肯尼迪航天中心搭载SpaceX猎鹰9号火箭发射升空。任务已经被推迟了好几次；该计划原本计划在法属圭亚那发射俄罗斯联盟号火箭，但俄罗斯入侵乌克兰意味着该计划被搁置。

　　欧几里德将何去何从？

　　欧几里得大约需要30天才能到达它在L2拉格朗日点的目的地——包括詹姆斯韦伯太空望远镜在内的其他几个航天器共享的同一位置。L2距离地球约100万英里(160万公里)，但与太阳方向相反。这是一个特殊的位置，因为在L2，地球和太阳的引力与航天器在轨道上绕地球摆动时作用在航天器上的向外离心力相平衡。这使得位置准稳定——航天器不会被抛入更深的空间，但它需要机动推进器来保持位置。

　　L2还提供了更清晰的深空视图，地球、月亮和太阳总是在飞船后面。如果欧几里德要成功完成在过去100亿年的宇宙历史中绘制15亿个星系的任务，产生比地面观测清晰四倍的图像质量，这是必不可少的。

　　作为一项调查任务，Euclid将持续至少6年，覆盖15，000平方度的天空。它的调查将以“步进凝视”模式进行，这意味着望远镜每次将指向并测量大约0.5平方度的天空。

　　世卫组织的欧几里得任务是以谁的名字命名的？

　　以几何学之父的名字命名绘制宇宙几何图形的太空任务再合适不过了。希腊数学家欧几里得生活在亚历山大大帝的时代，虽然他的生活的已知细节充其量是粗略的，但他的遗产是作为数学学科的几何学的发明。欧几里得发明了我们今天所称的欧几里得几何，它是诸如三角学等数学领域的基础。

　　宇宙也有欧几里得几何。美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的测量结果显示，宇宙是“平坦的”，没有像球体或马鞍一样的曲率。平行线永远保持平行，三角形的内角总和始终为180度。

　　欧几里德会做什么？

　　欧几里德将向科学家展示更多关于“黑暗宇宙”的东西。它的主要目标之一是精确绘制星系红移图——随着物体远离我们，光向更红的波长延伸，就像宇宙向各个方向膨胀一样。哈勃定律告诉我们，到星系的距离与宇宙膨胀带着星系远离我们的速度有关，后退速度越高，星系越遥远，红移越高。因此，测量红移可以告诉天文学家宇宙膨胀的速率以及暗能量加速膨胀的强度。该任务将追溯到100亿年前就存在的星系(红移约为2)，或太阳系年龄的两倍以上。在至少6年的时间里，欧几里德将绘制大约36%的天空，并对天空中总共40平方度的三个较小区域进行超深度调查。

　　欧几里德的探测器将进行两次宇宙探测。其中一个将会研究弱引力透镜效应——物质集中导致的光线边缘弯曲。这有助于通过测量星系图像被透镜扭曲的程度来绘制星系和星系团周围暗物质的位置。

　　另一个探测器将研究重子声波振荡(BAO)，这是宇宙微波背景(CMB)辐射波动的遗迹，今天在星系的空间分布中表现出来。在非常大的尺度上，星系往往以标准距离成对聚集在一起。这个标准距离与早期宇宙中等离子体(电离气体)中的声波有关；声波以密度波的形式在等离子体中传播，如今被联系到暗物质晕的位置，或与星系相关的暗物质浓度。随着宇宙的膨胀，这个标准距离的大小会随着时间的推移而增加，因此Bao是测量宇宙膨胀的标准标尺，因此也是测量宇宙历史上不同时期暗能量强度的标准标尺。

　　专家解答的欧几里德常见问题

　　我们问了欧洲航天局欧几里德项目经理朱塞佩·拉卡几个关于欧几里德任务的常见问题。

　　朱塞佩·拉卡

　　欧几里德项目经理

　　朱塞佩·拉卡是欧洲航天局欧几里德项目经理。

　　欧几里德任务将如何增进我们对暗能量的了解？

　　暗能量本质上是使宇宙加速膨胀的东西的别称。这种加速似乎是在大约50亿年前开始的，是通过地面天文台观测遥远星系的衰退速度发现的。

　　加速行为与具有恒定密度的真空的一种“排斥”能量或广义相对论方程的宇宙常数一致，广义相对论方程将重力描述为物质对时空几何关系。欧几里德将通过测量暗能量密度在过去的100亿年中是否真的是恒定的来提高我们的理解。

　　绘制星系地图将教会我们关于暗物质的什么？

　　暗物质是宇宙中物质的主要形式。没有它，恒星可能不会在早期宇宙中形成，宇宙中暗物质的存在对所有宇宙结构的形成至关重要。

　　暗物质是不可见的，也不吸收辐射，但由于其引力(更准确地说是因为其时空扭曲)而使光偏转，并使观察者看到的星系形状变形。这种效应被称为引力弱透镜效应。通过观察遥远的星系，它们的光从源头穿过物质(黑暗和规则)到达我们，我们可以测量暗物质在其路径上的分布。通过对数十亿个星系进行这样的研究，欧几里德将构建出暗物质在整个宇宙中分布的完整地图。

　　欧几里德与其他暗能量研究有何不同？

　　确实有很多宇宙学调查，主要是在地面上，还有一个计划中的(NASA的罗马望远镜)是从太空进行的。欧几里德的质量在于它的图像清晰度，这允许它最小化关于前述弱透镜探头的系统误差。此外，欧几里德望远镜的特色设计使其能够在相对较短的时间(6年)内以前所未有的准确度和精确度覆盖大量的天空(36%)。关于光谱能力，欧几里德还将对来自星系的近红外波长的光进行观测，这种光被大气层吸收，因此从地面上看不到。这种能力用于精确测量远至100亿光年的数亿个星系的后退速度。

　　欧几里德宇宙飞船

　　作为一个4，630磅(2，100千克)的航天器，14.7英尺(4.5米)高，10.2英尺(3.1米)直径，与詹姆斯·韦伯太空望远镜的大小和复杂性相比，欧几里德相当适中。欧几里德的科学将由两台仪器完成，其机载3.9英尺(1.2米)望远镜(在新标签中打开)将捕捉并分离它们之间的光进行分析。

　　其中一个仪器是可视成像仪(VIS)，它将包括36个专门为该任务设计的电荷耦合器件(CCD)。VIS的视场是0.787度乘0.709度(比天上两个满月覆盖的面积大一点)。

　　第二个仪器是近红外光谱仪和光度计(NISP)，它将提供星系的近红外测光。目的是结合VIS '和NISP的观测来精确测量星系的红移。

　　NISP还将研究星系的化学性质以及星系中恒星和气体的运动，以找出星系是如何旋转的，并揭示它们是如何形成的。

　　什么是暗能量和暗物质？

　　暗能量和暗物质构成了宇宙中的大部分质量和能量。暗物质是一种看不见的物质，我们只能从它的引力来推断它的存在。暗物质贡献了宇宙中所有物质和能量的26.8%左右。另一方面，暗能量是一种神秘的能量场，它正在加速宇宙的膨胀，约占宇宙所有质量和能量的68.3%。根据欧空局的说法，剩下的4.9%是我们在宇宙中可以看到的一切——人、行星、恒星、星云和星系。

　　暗物质和暗能量共同影响着宇宙的几何形状。暗物质团产生了引力井，可以弯曲来自更远物体的直线光路径，而通过驱动宇宙的加速膨胀，暗能量将物质团相互拉离，降低了宇宙中物质的整体密度。通过测量它们如何影响宇宙，天文学家可以获得对它们令人困惑的本质的重要见解。