歐幾里得望遠(yuǎn)鏡能解開暗物質(zhì)之謎嗎？

楊智杰

太空中的歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡（示意圖）。圖/歐空局

北京時(shí)間7月1日晚23時(shí)12分，由歐洲空間局（以下簡(jiǎn)稱歐空局）設(shè)計(jì)的歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱歐幾里得望遠(yuǎn)鏡）搭乘美國(guó)SpaceX公司的獵鷹 9 號(hào)火箭，從美國(guó)佛羅里達(dá)州發(fā)射升空。未來(lái)6年，它將勘測(cè)超過(guò)三分之一的宇宙，為超過(guò)10億個(gè)星系做“CT掃描”，并繪制出一張宇宙三維“地圖”。

據(jù)歐空局官網(wǎng)介紹，依據(jù)歐幾里得望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的海量數(shù)據(jù)，可以前所未有地確定過(guò)去100億年中宇宙的膨脹和結(jié)構(gòu)演化，并有助于揭開宇宙學(xué)的兩大奧秘：暗能量和暗物質(zhì)。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員鞏巖長(zhǎng)期研究暗物質(zhì)和暗能量模型，是中國(guó)巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）國(guó)家天文臺(tái)科學(xué)研究中心常務(wù)副主任。他對(duì)《中國(guó)新聞周刊》介紹說(shuō)，暗物質(zhì)和暗能量，是目前物理學(xué)和天文學(xué)最前沿的研究領(lǐng)域，也是籠罩在兩個(gè)學(xué)科頭頂上的“兩朵烏云”。多個(gè)國(guó)家都在相關(guān)領(lǐng)域攻關(guān)，如果將這兩大謎團(tuán)破解了，對(duì)人類來(lái)說(shuō)是非常重大的突破。

人類對(duì)95％的宇宙還一無(wú)所知

2009年，歐空局發(fā)射“普朗克”探測(cè)衛(wèi)星，耗時(shí)3年，精準(zhǔn)繪制出宇宙微波背景輻射圖，這是宇宙大爆炸時(shí)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后，科學(xué)家確認(rèn)，它幾乎完美地驗(yàn)證了宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型。即在宇宙中，所有可見的普通物質(zhì)，包括恒星、行星以及我們生活中的一切，只占宇宙總能量的5％，暗物質(zhì)占27％，暗能量占68％。

但人們需要解答的問(wèn)題是，暗物質(zhì)和暗能量到底是什么。過(guò)去近一個(gè)世紀(jì)中，許多研究者測(cè)量發(fā)現(xiàn)，恒星繞星系中心旋轉(zhuǎn)的速度大于預(yù)測(cè)結(jié)果，猜測(cè)存在不可見的物質(zhì)增大了使得恒星旋轉(zhuǎn)的引力，科學(xué)家將其稱為暗物質(zhì)。而暗能量是指驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘物質(zhì)。暗物質(zhì)與普通物質(zhì)不同，看不見、摸不著、聽不到。過(guò)去數(shù)十年，天文學(xué)家和理論物理學(xué)家想盡辦法，都無(wú)法直接探測(cè)到暗物質(zhì)和暗能量的存在，對(duì)其性質(zhì)更一無(wú)所知。

2012年，歐幾里得計(jì)劃被歐空局選中實(shí)施，來(lái)自13個(gè)歐洲國(guó)家、美國(guó)、日本等國(guó)的2000多名科學(xué)家參與了這項(xiàng)計(jì)劃，耗資約10億歐元研制完成歐幾里得探測(cè)器。如今，這一以幾何學(xué)之父命名的探測(cè)器，搭載口徑為1.2米的歐幾里得望遠(yuǎn)鏡，以及一臺(tái)可見光波長(zhǎng)相機(jī)和一臺(tái)近紅??外相機(jī)，將在宇宙航行一個(gè)月，最終懸停在距地球150萬(wàn)公里外的拉格朗日點(diǎn)L2。歐幾里德望遠(yuǎn)鏡將與詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡共享同一位置，共同凝望宇宙深處。

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射幾經(jīng)波瀾。2022年，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡建造完成，原計(jì)劃搭載俄羅斯火箭，從南美洲發(fā)射，但受俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)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(guó)公司SpaceX合作，發(fā)射地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到美國(guó)。依據(jù)歐空局官網(wǎng)公布的目標(biāo)，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡將用于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么；如果暗能量存在，它的特點(diǎn)是什么，并根據(jù)觀察到的宇宙大規(guī)模結(jié)構(gòu)，研究大爆炸后的宇宙狀況。

鞏巖對(duì)《中國(guó)新聞周刊》介紹說(shuō)，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡并不是直接探測(cè)暗物質(zhì)，嚴(yán)格地說(shuō)，對(duì)暗物質(zhì)的探測(cè)需要探測(cè)到暗物質(zhì)粒子。暗物質(zhì)有多種理論假說(shuō)，其中之一認(rèn)為，暗物質(zhì)是重質(zhì)量粒子。過(guò)去數(shù)十年，科學(xué)家主要通過(guò)三種方式探測(cè)暗物質(zhì)：利用大型對(duì)撞機(jī)，測(cè)試能否撞出暗物質(zhì)粒子；在地下十幾公里建立實(shí)驗(yàn)室，保證其他粒子無(wú)法穿透，尋找暗物質(zhì)與其他物質(zhì)相互作用的痕跡；在地面或太空探測(cè)暗物質(zhì)“湮滅”或衰變后產(chǎn)生的常見粒子。但迄今為止，人們窮盡了上述所有辦法，都沒(méi)有探測(cè)到暗物質(zhì)粒子的蹤影。

鞏巖解釋說(shuō)，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡的工作原理是，假設(shè)暗物質(zhì)存在，通過(guò)對(duì)宇宙中海量天體的探測(cè)，將得到的數(shù)據(jù)與相關(guān)模型進(jìn)行對(duì)照和驗(yàn)證，來(lái)確定或排除相應(yīng)的暗物質(zhì)模型。這實(shí)際上是一種理論上的“排除法”。“如果人們把暗物質(zhì)的性質(zhì)探測(cè)得足夠精確，其他理論都無(wú)法解釋這個(gè)數(shù)據(jù)，最后只能用暗物質(zhì)來(lái)解釋。”鞏巖說(shuō)。

歐空局的官方網(wǎng)站介紹，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡主要通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。望遠(yuǎn)鏡將測(cè)量15億個(gè)背景星系，創(chuàng)建宇宙暗物質(zhì)分布的三維視圖，宇宙學(xué)家將借此推斷宇宙歷史中的星系結(jié)構(gòu)如何形成，以及星系結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)速度。這與暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)與數(shù)量相關(guān)。同時(shí)，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡也將利用重子聲學(xué)振蕩，測(cè)量宇宙的膨脹率及其變化。重子聲學(xué)振蕩可以簡(jiǎn)單理解為宇宙早期的聲音波動(dòng)，它們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛淞粝铝撕圹E，有助于了解宇宙的演化和結(jié)構(gòu)的形成。兩種方式的測(cè)量對(duì)象是幾乎相同的天體，結(jié)果可以交叉檢驗(yàn)，減小誤差。

作為第四代巡天望遠(yuǎn)鏡，歐幾里得和哈勃望遠(yuǎn)鏡有明顯區(qū)別。“哈勃是精測(cè)望遠(yuǎn)鏡，能清晰拍攝某一小片天區(qū)內(nèi)的天體，只能探測(cè)太空中很小的區(qū)域，相當(dāng)于通過(guò)‘針孔觀測(cè)。”鞏巖說(shuō)，想要研究暗物質(zhì)和暗能量，望遠(yuǎn)鏡要看到更廣袤的宇宙。歐幾里得望遠(yuǎn)鏡則是“把針孔拿掉”，在更大的視野中掃描整個(gè)宇宙的天體。

此外，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡也能“看得更遠(yuǎn)”。天體發(fā)出的光隨著宇宙膨脹被拉伸，會(huì)出現(xiàn)“紅移現(xiàn)象”。紅移越大，天體離人類的距離越遠(yuǎn)。歐幾里得同時(shí)搭載測(cè)量星系形狀的可見光相機(jī)，以及測(cè)星系亮度和距離的近紅外光譜儀，能觀測(cè)到宇宙形成30億年后的光。“它探測(cè)宇宙的廣度和深度，都是目前其他望遠(yuǎn)鏡無(wú)法比擬的，觀測(cè)數(shù)據(jù)量之大在同類型望遠(yuǎn)鏡中也前所未有。”鞏巖對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)。

歐幾里得望遠(yuǎn)鏡的另一個(gè)重要科學(xué)目標(biāo)是，通過(guò)對(duì)宇宙物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)的分析，測(cè)量出中微子的質(zhì)量。目前，科學(xué)家認(rèn)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(xiàn)有地面實(shí)驗(yàn)無(wú)法確認(rèn)三者的質(zhì)量排序。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子理論上質(zhì)量為零，但地面實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)中表明中微子是有質(zhì)量的。“對(duì)三種中微子質(zhì)量之和的精確測(cè)量，對(duì)于了解中微子的質(zhì)量排序，以及其質(zhì)量獲得的機(jī)制有著重要作用。”鞏巖分析說(shuō)，這對(duì)于中微子乃至基本物理的研究都會(huì)有極大推動(dòng)作用。

無(wú)法單獨(dú)完成觀測(cè)目標(biāo)

在地球上，光在真空中沿直線傳播，但在更廣闊的宇宙中，情況并非如此。根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，一個(gè)遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)星系或者星系團(tuán)這類大質(zhì)量天體，受引力影響，會(huì)產(chǎn)生輕微彎曲。類似于被置于放大鏡下，其成像形態(tài)和亮度都會(huì)發(fā)生改變，這被稱為引力透鏡效應(yīng)。科學(xué)家認(rèn)為，背景光源的扭曲不是隨機(jī)的，它與暗物質(zhì)的引力場(chǎng)相關(guān)，可以從中探測(cè)暗物質(zhì)的密度分布。

鞏巖解釋說(shuō)，理想狀態(tài)下，發(fā)光的星系等光源、光經(jīng)過(guò)的大質(zhì)量物質(zhì)、觀測(cè)者三點(diǎn)一線時(shí)，引力透鏡效應(yīng)最強(qiáng)。但在宇宙中，一般情況下，光源只會(huì)發(fā)生微弱透鏡效應(yīng)，使觀測(cè)難度增加，這被稱為弱引力透鏡效應(yīng)。正式開啟探測(cè)后，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡將通過(guò)弱引力透鏡效應(yīng)來(lái)繪制暗物質(zhì)分布圖。“雖然單個(gè)星系的形狀和亮度變化很小，但這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念，如果把幾億、十幾億的星系的形狀和亮度都測(cè)一遍，統(tǒng)計(jì)效應(yīng)就出來(lái)了。”鞏巖說(shuō)。

因此，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡要觀測(cè)足夠廣闊的宇宙，鞏巖介紹說(shuō)，“在設(shè)計(jì)上，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡在可見光觀測(cè)上只用了一個(gè)寬波段，有助于更準(zhǔn)確地測(cè)量星系形狀。”但大型巡天望遠(yuǎn)鏡普遍使用測(cè)光紅移技術(shù)，即用多個(gè)波段的測(cè)光數(shù)據(jù)來(lái)估算紅移。歐幾里得僅用一個(gè)可見光寬波段和幾個(gè)近紅外波段，會(huì)降低測(cè)光紅移的準(zhǔn)確度，“紅移測(cè)不準(zhǔn)，對(duì)弱引力透鏡效應(yīng)的測(cè)量也沒(méi)辦法十分準(zhǔn)確。”鞏巖說(shuō)。

這是歐幾里得望遠(yuǎn)鏡未來(lái)探測(cè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。鞏巖介紹，如果想圓滿完成科學(xué)目標(biāo)，歐幾里得望遠(yuǎn)鏡需要其他望遠(yuǎn)鏡的配合。歐空局官網(wǎng)也提到，這一望遠(yuǎn)鏡需要來(lái)自地面望遠(yuǎn)鏡的額外數(shù)據(jù)，以改進(jìn)紅移測(cè)定技術(shù)和單個(gè)星系的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)建模。但鞏巖提到，不同望遠(yuǎn)鏡如何協(xié)同觀測(cè)、協(xié)同數(shù)據(jù)處理，對(duì)歐幾里得望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量來(lái)說(shuō)將是非常大的挑戰(zhàn)。比如，要面對(duì)的挑戰(zhàn)包括地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)容易受大氣擾動(dòng)等影響，每一次的觀測(cè)效果不同，儀器參數(shù)也不相同等。

近年來(lái)，歐洲、中國(guó)、美國(guó)等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都在致力于暗物質(zhì)、暗能量的研究和探測(cè)。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）正在研制南希·格雷斯·羅曼太空望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃2027年發(fā)射。中國(guó)兩米口徑的巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）計(jì)劃于2024年發(fā)射。這些望遠(yuǎn)鏡和歐幾里得有相似的研究方向，用于開展廣域巡天觀測(cè)，在宇宙結(jié)構(gòu)形成和演化、暗物質(zhì)和暗能量領(lǐng)域開展前沿研究。

2013年，中國(guó)巡天空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃立項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員詹虎參與了CSST的研制工作，他對(duì)媒體表示，CSST擬于2023年底前交付，計(jì)劃在2024年發(fā)射。據(jù)報(bào)道，CSST太空飛行器的大小相當(dāng)于一輛大客車，立起來(lái)有3層樓高。“巡天觀測(cè)”是CSST的主要使命，它將會(huì)覆蓋整個(gè)天空面積的40％，積累獲得近20億星系的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

NASA研制的南希·格雷斯·羅曼太空望遠(yuǎn)鏡的眾多科學(xué)目標(biāo)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(guó)和歐洲的天文望遠(yuǎn)鏡又有所不同。歐空局官方介紹，羅曼和歐幾里得望遠(yuǎn)鏡的使命是“互補(bǔ)的”，歐幾里得的測(cè)量視野更廣，而羅曼只是勘測(cè)較小的區(qū)域，但會(huì)以更高分辨率和更大波長(zhǎng)覆蓋范圍探測(cè)，兩者的重疊結(jié)果可用于互相檢查系統(tǒng)誤差。

這類巡天望遠(yuǎn)鏡最終能否揭開暗物質(zhì)和暗能量的面紗？英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)天體物理學(xué)教授、歐幾里得科學(xué)家伊莎貝爾·胡克在接受采訪時(shí)提到，歐幾里得將在幾個(gè)月后發(fā)回它對(duì)宇宙的“初印象”照片，但科學(xué)家還要等待數(shù)年時(shí)間，才能拿到海量的數(shù)據(jù)，宣布一些新成果。