探索宇宙中相互竞争的隐秘力量：欧几里得望远镜发布首批照片

▲ 欧几里得望远镜工作的艺术想象图。（欧洲空间局 / 图）

责任编辑｜朱力远

北京时间2023年11月7日晚，欧洲空间局发布了欧几里得望远镜（Euclid）拍摄的首批5张全彩图片。这些图片是科学家对欧几里得望远镜获得的首批数据进行初步处理的成果，却已经展示出望远镜的强大观测能力——此前从未有望远镜在横跨如此大的天区上获得这样清晰的图像。他们相信，这台望远镜已经做好准备，创造有史以来范围最大的宇宙三维地图，帮助我们洞察“暗”宇宙中暗物质和暗能量的本质，从而揭示宇宙中隐藏的秘密。

欧几里得（Euclid）是古希腊著名数学家，被称为“几何之父”，他的《几何原本》流传于世，奠定了此后两千多年几何学发展的基础。现在，科学家已经认识到，物质和能量密度与宇宙的几何紧密相关，决定着宇宙的未来。因此，欧洲空间局（ESA）决定把探索宇宙结构与演化的望远镜以欧几里得的名字命名，以纪念这位几何学先驱。

根据目前的主流宇宙学理论，宇宙中可见的普通物质只占5%，其余的95%包括25%的暗物质和70%的暗能量。因此，了解暗物质和暗能量的本质，成为当今科学中最重大的课题之一。在这个领域的研究中，欧几里得望远镜有望在下个十年甚至更长的时间里发挥重要作用。

在最远达到100亿光年的范围内，欧几里得将会对超过1/3的天空中的数十亿个星系进行观测，创造一幅宇宙的大尺度结构图。科学家希望通过探索“暗”宇宙的组成和演化，研究宇宙学中的5个关键问题：宇宙网（宇宙中的物质排列在一个巨大的网络中）的结构和演化历史、暗物质是什么、宇宙的膨胀是如何随着时间发生变化的、暗能量的本质是什么以及我们是否真的完全理解了引力。

2007年3月，研究人员提出了两个研究方案，以响应欧洲空间局对2015年至2025年间的宇宙探测规划，分别是“暗宇宙探索者”（Dark Universe Explorer，DUNE）和“光谱全天宇宙探索者”（Spectroscopic All Sky Cosmic Explorer，SPACE）。两个方案提出了互补的技术来探测暗能量。经过一段时间的评估和论证后，这两个方案进行了合并，这就是后来的欧几里得望远镜。2011年10月，欧洲空间局科学任务委员会选定了欧几里得望远镜；2012年6月，望远镜项目正式立项。

经过十多年的论证、设计、建造和测试，欧几里得望远镜终于整装待发。2023年7月1日，欧几里得望远镜由美国太空探索公司（SpaceX）的猎鹰9号（Falcon 9）火箭搭载，在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角航天发射场成功发射升空。7月底，望远镜飞抵距离地球约150万千米的日地第二拉格朗日点附近，顺利进入工作轨道。欧洲空间局的盖亚望远镜（Gaia）以及美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）也都工作在环绕这个点的轨道上。

欧几里得望远镜高约4.7米，直径3.7米，由服务模块和载荷模块组成。其中，发挥探测功能的载荷模块包括一台直径1.2米的望远镜和两台科学仪器：可见光波段相机（VIS）和近红外波段相机（NISP）；服务模块主要包括发电和配电、姿态控制、数据处理、推进、热控制、遥控和遥测等装置。

欧洲空间局对欧几里得望远镜寄予厚望。“暗物质将星系拉在一起，使它们的旋转速度比可见物质本身所能解释的要快；暗能量正在推动宇宙的加速膨胀。欧几里得望远镜将首次允许宇宙学家同时研究这些相互竞争的黑暗奥秘，”欧洲空间局科学主任卡罗尔·蒙代尔（Carole Mundell）在欧洲空间局官网上表示，“欧几里得望远镜将帮助我们在理解整个宇宙上实现飞跃，这些精美的图像表明，该任务已准备好帮助回答现代物理学的最大谜团之一。”

欧几里得望远镜首批公布的5张图片分别是英仙座星系团（The Perseus Cluster of galaxies）、漩涡星系IC 342星系、不规则矮星系NGC 6822、球状星团NGC 6397和马头星云（The Horsehead Nebula）的图片。望远镜进行观测的视场很大，达到0.5平方度，超过满月所占的天空面积，拍摄这次发布的5张图片只用了不到一天的时间。从明亮的恒星到微弱的星系，欧几里得望远镜依靠强大的观测能力，创造出非常清晰的可见光和红外图像。

英仙座是宇宙中已知的最大结构之一，距离地球2.4亿光年。在这张英仙座星系团的图片中，显示了这个属于星系团的1000个星系，以及背景中更远的10万多个星系。这是天文学家第一次能够在这么大的图片中以这样高的细节水平捕捉到如此多的英仙座星系。

欧几里得望远镜拍摄的英仙座星系团。（欧洲空间局 / 图）

这些微弱的星系中有许多是天文学家之前观测不到的，因为其中一些非常遥远，它们发出的光用了100亿年的时间才触达我们。天文学家已经证明，只有在宇宙中存在暗物质的情况下，像英仙座这样的星系团才能形成。他们将通过欧几里得望远镜观察许多像英仙座这样的星系团，绘制其中的星系的分布和形状，从而更多地了解暗物质是如何把这些星系结合在一起形成星系团，并塑造了我们今天看到的宇宙。

在轨运行期间，欧几里得望远镜将对数十亿个星系进行成像，揭示暗物质和暗能量对它们施加的无形影响。在欧几里得观测到的第一批星系中，有一个被昵称为“隐藏星系”（Hidden Galaxy），这个与银河系外形相似的漩涡星系的正式编号为IC 342，又被称作考德威尔5号。得益于欧几里得望远镜的红外观测能力，天文学家已经发现了这个星系中恒星的关键信息。

欧几里得望远镜拍摄的漩涡星系IC 342。（欧洲空间局 / 图）

在早期宇宙中，大多数星系看起来都不是像银河系一样的典型螺旋形，它们不仅外形不规则，而且也都很小，是构成像银河系这样的更大星系的基石。在距离我们相对较近的宇宙中，我们仍然可以找到一些这样的星系。在欧几里得望远镜发布的图片中，就有一个编号为NGC 6822的不规则矮星系，距离地球160万光年。

欧几里得望远镜拍摄的不规则矮星系NGC 6822。（欧洲空间局 / 图）

欧几里得望远镜还拍摄了球状星团NGC 6397，这是距离地球第二近的球状星团，距离地球约7800光年。球状星团是数十万颗恒星通过引力结合在一起的集合。目前，除了欧几里得望远镜之外，没有其他望远镜可以在一次观测中看到整个球状星团，同时识别出星团中这么多的恒星。这些微弱的恒星可以告诉我们银河系的历史以及暗物质的位置。

欧几里得望远镜拍摄的球状星团NGC 6397。 （欧洲空间局 / 图）

在欧几里得望远镜这次发布图片的天体中，马头星云是最近的一个，它也被称作巴纳德33，是猎户座的一部分，距离地球约1500光年。在这张马头星云的图片中，我们不仅能看到壮观的全景，也能洞察其中的细节。在欧几里得望远镜对这个恒星摇篮的新观测中，科学家们希望找到很多处于形成早期的暗淡的、此前从未见过的木星质量的行星，以及年轻的褐矮星和婴儿恒星。

欧几里得望远镜拍摄的马头星云。（欧洲空间局 / 图）

虽然首批只发布了5张图片，但是这些图片已经体现出在望远镜研制背后科学家和工程师付出了巨大努力，才造就了这些杰作。欧几里得项目经理朱塞佩·拉卡（Giuseppe Racca）在欧洲空间局官网上表示：“我们对这台望远镜的高标准得到了回报。这些图片中有如此多的细节，这要归功于特殊的光学设计、望远镜和仪器的完美制造和组装以及极其精确的指向和温度控制。” 

欧几里得项目科学家勒内·劳雷斯（René Laureijs）这样评价：“我们以前从未见过这样的天文图片，其中包含如此多的细节。它们比我们所希望的更加美丽和清晰，向我们展示了附近宇宙中已知区域内许多以前从未见过的特征。现在我们已经准备好观察数十亿个星系，并研究它们在宇宙历史中的演化。”

欧几里得望远镜的首秀令天文学界备受鼓舞，很多人持有和勒内·劳雷斯相同的观点。这些图片显示出欧几里得望远镜的各种仪器具有非常优良的性能，天文学家可以使用这台望远镜来研究宇宙中物质的分布及其在最大尺度上的演化。以大量覆盖大面积天空的高质量观测结果为基础，他们将向我们展示宇宙中黑暗和隐藏的部分。而在暗物质和暗能量的领域之外，这些图片还展示了欧几里得能够帮助天文学家创造一个关于单颗恒星和星系物理学的信息宝库。

欧几里得联盟负责人雅尼克·梅利尔（Yannick Mellier）表示：“在接下来的几个月里，欧几里得联盟的科学家将分析这些图片，并在《天文学与天体物理学》杂志（Astronomy & Astrophysics）上发表一系列科学论文，以及关于欧几里得任务的科学目标和仪器性能的论文。”

在欧几里得望远镜发射升空之后的几个月里，科学家和工程师一直在测试和校准望远镜的科学设备。这个团队目前正在进行最后的微调，以便在2024年年初开始常规的观测工作。随着任务的进行，望远镜获得的数据会每年对外发布一次，并向全世界的研究人员开放。

根据计划，欧几里得望远镜将开展为期6年的观测，此后将根据用于推进的低温气体的余量来评估延长任务期的可能性。在未来的6年里，我们可以期待欧几里得望远镜不断带给我们新的惊喜，用更多的精彩图片向我们展示宇宙隐藏的魅力。而对观测数据的分析则会持续更长的时间，天文学家将在这些数据中细致搜寻解开暗物质和暗能量谜团的线索。