欧几里德望远镜：科学家报告其探索暗物质和暗能量本质的探索历程

欧几里得望远镜：科学家报道他对理解暗物质和暗能量本质的探索

2023年7月1日，欧洲独特的太空望远镜欧几里得从卡纳维拉尔角成功发射升空。这次发射无疑是我作为一名天文学家职业生涯中的重要时刻，但目睹多年工作成果被送上火箭并不是一件简单的事。在完美的升空后，欧几里得迅速抵达了预定轨道，距离地球约150万公里。从这遥远的视角，它已经开始发送清晰图像，到本十年结束时将覆盖几乎三分之一的天空。

欧几里得是我们努力理解宇宙的下一个重大进步。在过去一个世纪中，我们取得了巨大进展。我们已经了解到，氢与氦的聚变供给了像我们太阳那样的恒星能量，而我们身体中大部分原子是在已爆炸的恒星核心中形成的。我们发现星系只是众多星系中的一个，这些星系构成了充满宇宙的巨大泡沫状结构。我们现在知道宇宙大约在136亿年前以“大爆炸”开始，并一直在膨胀。

这些都是重大成就，但随着我们了解得更多，也变得明显许多东西我们并不了解。例如，大部分质量被认为是“暗物质”，这是标准粒子物理学模型无法解释的一种新物质形态。所有这些物质的引力应该减缓宇宙的膨胀，但大约25年前我们发现宇宙实际上正在加速膨胀。这需要更神秘的成分。为了反映我们的无知——迄今为止，没有好的物理解释存在——我们将其称为“暗能量”。结合起来，暗物质和暗能量构成了宇宙95%的成分，但我们不了解它们的本质。

我们所知道的是，这两种暗成分影响着大型结构的形成方式。暗物质的引力有助于将物质聚集成星系甚至更大的物体。相比之下，暗能量推动物体分开，因此有效地抵消了引力作用。随着宇宙膨胀，这两者之间的平衡发生变化，暗能量变得越来越占主导地位。细节取决于暗成分的性质，并且与观测结果的比较可以帮助我们区分不同的理论。这正是欧几里得被发射的主要原因。它将绘制物质的分布方式以及这一过程的演变。这些测量结果可以提供急需的指导，从而更好地理解宇宙的黑暗面。

然而，如果大部分物质都是看不见的暗物质，我们如何研究物质的分布呢？幸运的是，自然为我们提供了一个方便的方法：爱因斯坦的广义相对论告诉我们，物质会使周围的空间弯曲。暗物质团通过扭曲更远处星系的形状揭示了它们的存在，就像游泳池表面的波浪扭曲了底部瓷砖的图案一样。

鉴于其与常规光学透镜的相似性——物理学不同，但数学相同——被称为引力透镜的光线弯曲。在罕见的情况下，弯曲非常强烈，可以观察到同一个星系的多个影像。然而，大多数情况下，效应更为微妙，略微改变了远处星系的形状。尽管如此，如果我们对大量星系的测量结果进行平均，我们可以揭示其取向中由干扰介质（包括常规和暗物质）所印记的模式。

这种“弱透镜”信号可能并不那么引人注目，但它确实为我们提供了一种直接的方法来绘制宇宙中物质的分布，特别是当结合测量了这些形状的星系的距离时。早在上世纪九十年代，人们就已经意识到了这种技术的潜力，但同时也清楚这种测量将是具有挑战性的。大气中的湍流会模糊我们对想要使用的微弱、遥远星系的视野，而望远镜光学的瑕疵则不可避免地改变了观测到的星系形状。因此，天文学界对技术可行性持怀疑态度。这正是我1995年开始攻读博士学位时的情况，也是我开始了证明他们错误的旅程。

多年来，利用地面望远镜收集的不断扩大的数据集，我们发现并解决了新的问题。基于1990年发射的哈勃太空望远镜的观测，我的论文工作已经表明了从太空测量形状要容易得多。然而，在欧几里得到来之前，太空望远镜只能观测到微小的天空区域：在2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）相当于在手臂长度外看到一颗沙粒。然而，为了真正测试暗能量的本质，我们需要覆盖面积大6百万倍。这就是导致欧几里得诞生的原因，这台独特的望远镜设计的目标是为15亿个星系提供清晰的图像，以及这些星系的距离信息。如图二所示，我们一次观测的面积超过了满月大小。

这些数据由大约2500万个星系的精确距离补充，以便详细绘制远处星系的分布情况。

当我开始进入这个研究领域时，暗能量还未被发现，而很少有人相信弱透镜将成为研究物质分布的主要工具。事情如今已经发生了翻天覆地的变化。欧几里得的发射可以说是最壮观的证明。自2011年——当该项目仍在欧洲航天局（ESA）考虑是否将其作为其宇宙愿景计划的一部分时——我就是欧几里得的宇宙学协调员之一。这意味着我负责确定该任务的主要特征，特别是与弱引力透镜有关的特征。这包括规