【{$randkws}】欧几里得望远镜：一位科学家告诉我们他想了解暗物质和暗能量的本质 - {$web_name} 在一次完美的发射后

在弗拉姆马里恩木雕的原始印刷品（1888年）中，一位旅行者将他的头放在天空的边缘下。（图片来源：uux.cn/1888年Flammarion木刻版画）
（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（Henk Hoekstra）：这篇文章最初发表在The Conversation上。该出版物将这篇文章贡献给了Space站点的专家之声：Op-Ed&Insights。
Henk Hoekstra是莱顿大学观测宇宙学教授。
2023年7月1日，回顾退圈传闻趋势欧洲独特的太空望远镜欧几里得从卡纳维拉尔角发射升空。这次发射无疑是我天文学家职业生涯中的亮点，但目睹多年来在火箭上岗位的结局并不适合胆小的人。在一次完美的发射后，欧几里得迅速抵达其打算轨道，距离地球约150万公里。从这个遥远的有利位置，它已然着手发回清晰的图像，到本世纪末，这些图像将覆盖近三分之一的天空。
欧几里得是我们探索宇宙的下一大步。在过去的一个世纪里，我们获得了巨大的提升。我们已然知晓到，氢与氦的融合为像太阳这样的恒星提供了动力，而我们身体中的大多数原子都是在爆炸后的恒星核心中锻造而成的。我们察觉，动画电影消息银河系是众多星系中的一个，它们追踪着渗透在宇宙中的巨大泡沫状结构。
我们如今得知，宇宙始于大约136亿年前的“大爆炸”，并一直在膨胀。
探索宇宙的黑匣子
这些都是重大成就，但随着我们知晓到更多，也清楚地表明，还有很多我们不知晓的地方。例如，大多数品质被觉得是“暗物质”，这是一种新的物质形式，在其他方面相当顺利的粒子物理规范模型无法阐释。所有这些物质的引力应该会减缓宇宙的膨胀，但大约25年前，我们察觉它实际上正加速。这需要一个更为神秘的组件。以便反映我们的无知——到当下为止，还没有好的物理阐释存在——我们将其称为“暗能量”。暗物质和暗能量加起来占宇宙的95%，但我们不知晓它们的性质。
我们所得知的周一围相关免费试玩引关注是，这两种暗成分都会作用大型结构的形成。暗物质的引力有助于将物质拉到星系乃至更大的物体中。相反，暗能量将事物推开，从而有效地抵消了引力。两者之间的平衡随着宇宙的膨胀而演变，暗能量变得越来越占主导地位。详情取决于暗成分的性质，与观测结局的较为使我们能够确认各异的理论。这就是欧几里得诞生的首要缘由。它将绘制出物质是如何分布的，以及随着时间的推移是如何演变的。这些测量可以提供急需的推动，从而更好地知晓宇宙的黑暗面。
但是，假如大若干物质是看不见的暗物质，我们如何探究物质的分布？幸运的是，大自然提供了一条便捷的前进道路：爱因斯坦的广义相对论告诉我们，物质会弯曲周围的空间。暗物质团经由扭曲更远星系的形状来揭示它们的存在，就像游泳池表面的波浪扭曲了底部瓷砖的图案一样。

图1：英仙座星系团的欧几里得图像。大的黄色星系是这个大品质物质团的一若干，但我们可以分辨出另外50000个遥远的星系。（图片来源：uux.cn欧空局/欧几里得联盟/美国全国航空航天局，图像处理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi、Fourni par l’auteur达成）

图1：假如我们放大（右），我们可以目睹每个星系都有惊人的详情。得益于大视场，我们第一次可以以如此高的品质观察到如此大的结构。（图片来源：uux.cn欧空局/欧几里得联盟/美国全国航空航天局，图像处理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi、Fourni par l’auteur达成）
引力透镜及其线索
考虑到与常规光学透镜的相似性——物理原理各异，但数学原理一样——物质对光线的弯曲被称为引力透镜。在极少数状况下，弯曲如此强烈，以至于可以观察到同一星系的多张图像。但是，大多数时候，这种作用更为微妙，只是稍微改变了遥远星系的形状。尽管如此，假如我们对众多星系的测量结局开展平均，我们就可以察觉它们的取向模式，这些模式是由规则和暗物质的介入分布所印记的。
这种“弱透镜”通讯或许没有那么壮观，但它的确为我们提供了一种绘制宇宙中物质分布图的直接方法，尤其是当与测量形状的星系的距离相结合时。这项技术的潜力在90年代初得到了认可，但也很显著，测量将具有考验性。大气中的湍流含混了我们对想要使用的微弱、微小、遥远星系的看法，而望远镜光学操控系统的缺陷不可避免地会改变观测到的星系形状。所以，天文学界对其技术可行性持怀疑态度。这就是我1995年着手攻读博士学位时的状况，当时我着手了一段证明他们错了的旅程。

假如物质在视线附近的前景中（右），强透镜作用（左）以及弱引力透镜作用如何扭曲星系场（中心）的观测形状的说明：背景星系和我们之间的物质存在会导致其形状和方向的相干失真。假如对天空的很大一若干开展测量，这种失真测量会携带有关物质在宇宙时间内分布的宝贵信息。（图片来源：uux.cn欧空局/欧几里得联盟/美国全国航空航天局，图像处理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi达成）
多年来，我们使用地面望远镜收集的越来越大的资料集，察觉并解决了新的难题。依据1990年发射的哈勃太空望远镜的观测结局，我的论文岗位已然表明，在太空中若干测量形状要轻松得多。但是，在欧几里得呈现之前，太空望远镜只能观测到微小的天空：2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）目睹的距离相当于一臂之遥的一粒沙子。但是，要真正评测暗能量的性质，我们需要覆盖600万倍以上的区域。这就是欧几里得望远镜的诞生，它是一种独特的望远镜，旨在为15亿个星系提供清晰的图像，以及与这些星系的距离信息。如图2所示，在一张图像中，我们观察到的区域比满月还大。
这些资料得到了大约2500万个星系的精确距离的补充，可以相当详尽地绘制出遥远星系的分布图。
欧几里得宇宙学协调员
当我着手进入这一探究领域时，暗能量还没有被察觉，而很少有人相信弱透镜会是探究物质分布的首要工具。事情发生了怎样的转变。欧几里得的启动可以说是最壮观的证明。自2011年以来，欧洲航天局（ESA）仍在考虑将该项目身为其宇宙愿景打算的一若干，我一直是欧几里得的宇宙学协调员之一。这意味着我负责确定这次任务的首要特征，尤其是与弱引力透镜有关的特征。这含有指定图像应该有多清晰，以及我们需要多好地测量星系的形状。这项岗位还关乎与欧洲航天局（ESA）的频繁互动，以澄清科学目标并找出如何处理新的见解。

图2：这张图像显示了欧几里得相针对满月大小的视野。一次揭露大约是哈勃太空望远镜的100倍，而其清晰度差不多一样。（图片来源：uux.cn欧空局/欧几里得联盟/美国全国航空航天局，图像处理由J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay）、G.Anselmi、Fourni par l’auteur达成）
由于一个庞大的工程师和科学家团队的辛勤岗位，我们顺利地克服了许多技术障碍。我们在疫情期间持续兴办，但由于俄罗斯入侵乌克兰，我们失去了原定的火箭——欧几里得打算用联盟号火箭发射。值得注意的是，欧空局不久找到了一个解决计划：太空探索技术企业在猎鹰9号上发射。所以，我察觉自己在佛罗里达州见证了迄今为止我所有探究的高潮。
欧几里得障碍课程
从那以后，这就像坐过山车一样。由于阳光渗入摄像机，7月份取景的第一张图像的噪音比预期的要大。这将是一个严重的难题，但最有或许的罪魁祸首——一个突出的合作器，将阳光反射到遮阳板的背面——不久就被确定了，解决计划也是如此。经由稍微旋转航天器，合作器可以被放置在卫星的阴影下。但是，这意味着对调研打算开展彻底改革。
难题还不止于此。来自太阳的辐射不断地合作欧几里得旋转，这是经由维持望远镜完全稳定的合作器来补偿的。只有这样，我们才能拍出我们需要的清晰的图像。但是，来自太阳的高能粒子干扰了稳定操控系统，导致望远镜有点摇晃。这是经由使用升级解决的。最近，望远镜内部结冰引发了人们的担忧，但这个难题也得到了顺利解决。

图3：IC342的欧几里得图像，一个靠近银河系平面的螺旋星系。欧几里得在近红外波段的灵敏观测揭示了这个星系的许多详情。（图片来源：uux.cn欧空局，Fourni par l’auteur）
以便让全球知晓它的潜力，11月亮相了一些上镜物体的“早期释放观测”。最接近我探究的是英仙座星系团（图1）。除了大的黄色星系，它们是这个大品质物质团的一若干，欧几里得还提供了另外50000个星系的详尽图像。这种程度的详情正是我探究所需要的，但到当下为止，我只有25000张这样的图像中的800张！这已然着手：2024年2月15日，欧几里得着手了它的首要调研，在接下来的2200天里，它将持续取景天空。这些庞大的资料将变成天文学家乃至全全球前方几年的宝库。例如，我们可以详尽探究附近数百个星系的结构，如IC342（图3）。这些图片只是前方的一个先导片片。
本文是the Conversation与欧盟探究与革新杂志《地平线》兴办的成果。12月，作者发表了对该杂志的访谈。