欧几里得太空望远镜发布首批令人惊叹的科学图像

来自欧几里得太空望远镜的首批全彩色科学图像展示了数十万个星系、星团和其他令人惊叹的宇宙物体的晶莹剔透的景象。

这些图像仅仅是研究人员期望这架距离地球 150 万公里的太空望远镜在其计划的六年主要任务中提供的成果的冰山一角。这个欧洲航天局（ESA）的项目旨在研究宇宙的大尺度结构，以帮助解开暗物质和暗能量的谜团。ESA 科学计划主管 Carole Mundell 在 2023 年 11 月发布这些图像的网络直播中表示，图像的发布标志着任务的校准和测试阶段的结束，以及进入日常科学观测阶段。“今天是一个具有标志性意义的日子，”Mundell 说。

宇宙学家知道，宇宙中我们熟知的部分——恒星和其他可见物质，以及电磁辐射和其他熟悉的能量形式——仅占宇宙真实存在的约 5%。其余的是暗物质和暗能量。前者是一种几乎不可见的物质，除了其引力外，而后者是一种神秘的力量，驱动着宇宙加速膨胀。暗物质和暗能量都微妙地影响着星系和星系团的形状和排列，这些星系和星系团共同在广阔的“宇宙网”中形成丝状结构、薄片和空洞。

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欧几里得望远镜于 2023 年 7 月发射，旨在利用先进的 6 亿像素可见光相机以及广域近红外光谱仪和光度计探测这一庞大结构的精细细节。首批图像聚焦于可见的事物：螺旋星系、椭圆形的恒星漩涡以及像蒲公英绒球般的星团，这些星团因引力而聚集在一起。

“这是冒险的开始，”约翰·霍普金斯大学的天体物理学家亚当·里斯说，他没有参与欧几里得任务，但领导了发现宇宙加速膨胀率的团队，并因此项工作分享了 2011 年诺贝尔物理学奖。

这些图像非凡的清晰度和广度证明了欧几里得望远镜以惊人的清晰度 survey 大片天空的能力。其中许多图像提供了对经过充分研究的区域的广阔视野，其他望远镜只能通过耗时的大量观测拼接而成的合成图像来复制。相比之下，欧几里得可以在不到一个小时的时间内捕捉到如此大规模的快照。在望远镜拍摄的第一张英仙座星系团快照中，有超过 10 万个星系，其中包括以前从未见过的极其微弱的星系。

欧几里得望远镜拍摄的附近螺旋星系 IC 342 的图像突显了该望远镜敏锐的目光。这个星系通常隐藏在银河系尘埃和气体密布的中心平面之后。然而，欧几里得的近红外相机可以探测到来自这个邻近星系的一些热量，这些热量可以毫发无损地穿过这种遮蔽物质。然后，研究人员使用伪色将这些原本不可见的波长转换为可见图像。

“我们研究像这样的星系的自转，实际上是为了推断出我们的宇宙中有多少暗物质，”ESA 的空间科学研究员瓜达卢佩·卡尼亚斯·埃雷拉在 11 月的网络直播中说。

欧几里得任务的目标是创建我们有史以来最广泛的宇宙三维地图。为了实现这一目标，望远镜的巡天观测将覆盖三分之一的天空，并延伸至 100 亿光年的距离。考虑到宇宙 138 亿年的年龄和光速的有限性，这意味着欧几里得将探测宇宙网的演化，时间接近第一批恒星形成的时候。“你能够去探索宇宙的一部分，直到现在，我们对这部分宇宙的数据还非常少，”多伦多大学观测宇宙学研究员坦维尔·卡里姆说，他没有参与这项任务。

在其中一张图像中，不规则星系 NGC 6822 像薄雾一样闪烁，其恒星形成区域呈现为（伪色）紫色团块。紫色色调来自星系中电离气体的混合，电离气体呈现蓝色，而尘埃呈现红色。另一张图像突出了马头星云，猎户座“腰带”中的一个恒星形成区。NASA 喷气推进实验室的观测宇宙学家杰森·罗兹在网络直播中表示，借助欧几里得望远镜的敏锐精度，研究人员希望在星云中找到隐藏的棕矮星。棕矮星是发光物体，它们太小而无法成为恒星，但又太大而不能被认为是行星。更多地了解它们的形成方式可能有助于科学家更好地理解恒星和行星诞生的变幻莫测。

望远镜的高精度观测将实现对弱引力透镜前所未有的测量——这是背景星系和星团的光线因中间大质量物体的引力场而发生的微妙弯曲。研究人员可以利用这些微弱的扭曲来绘制暗物质的分布图。该望远镜还将用于研究重子声波振荡（BAO）。这些是在大爆炸后最初约 30 万年中，从充满宇宙的炽热等离子体中冻结出来的物质密度中的波浪状涟漪，据认为它们影响了星系随后形成的位置。绘制遥远星系的分布图将有助于揭示这些涟漪的存在和模式——这两种目前尚不明确的测量类型可以帮助宇宙学家确定宇宙的确切膨胀率。

荷兰莱顿大学的观测宇宙学家亨克·胡克斯特拉在图像发布后的新闻发布会上说，欧几里得望远镜利用 BAO 和弱引力透镜进行最宏大的测量，有点像观察游泳池底部的物体。在这个比喻中，池水是看不见的暗物质和暗能量，它们扭曲了可见的物体。你可能无法直接观察到水，但通过研究物体的扭曲，你可以推断出水的深度和流动情况。

“如果我们测量这些星系的形状并将它们平均在一起，我们就会看到这些星系，成千上万个，是如何显示出首选方向的，”胡克斯特拉说。

欧几里得望远镜视野的惊人深度在其拍摄的 NGC 6397 图像中显而易见，NGC 6397 是距离地球第二近的球状星团。成千上万个针尖般的光点——其中大多数是无名的、遥远的星系——潜伏在背景中。“我们有如此巨大的视野，”德国波恩大学阿格朗德研究所的天文学家仲岛玲子在新闻发布会上说。

目前，约翰·霍普金斯大学的里斯说，对于推动宇宙膨胀速度越来越快的暗能量，有两种相互竞争的普遍解释。一种是暗能量是宇宙常数，是空间不变的属性，这意味着宇宙将继续无限膨胀，将遥远的物体永远扫出我们的局部视点之外。另一种是暗能量不是宇宙常数，这意味着它可能会随着时间推移发生根本性的变化。这可能导致两种极端且截然不同的结果：“大坍缩”，其中暗能量将变成一种吸引力并导致宇宙坍缩；以及“大撕裂”，其中暗能量将增强到撕裂物质并撕裂时空本身。里斯补充说，还存在第三种包罗万象的解释：我们目前的引力理论可能完全是错误的，在这种情况下，所有的预测性赌注都将落空。

“我们不知道答案会是什么，”他说。“这就是为什么人们对这些方法感到非常兴奋。”

欧几里得并非唯一一个全景探测这些问题的项目。据官方新华社报道，中国计划于 2025 年发射的巡天空间望远镜旨在以类似于哈勃太空望远镜的分辨率绘制 40% 天空中的遥远星系图。亚利桑那州基特峰国家天文台的地面暗能量光谱仪（DESI）也在探测天空中的 BAO。美国宇航局的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜预计将于 2027 年发射，它也将以类似哈勃的分辨率对其自身广泛的宇宙结构 survey 进行探测，因为它将目光投向银河系中心，以寻找弱引力透镜的迹象等等。

多伦多大学的卡里姆说：“我们实际上正在进入一个同一片天空区域被多台望远镜观测的时代。” 你可以“从不同的 survey 中引入优势，以一种弥补彼此弱点的方式。你可以构建更全面的图景。”