“欧几里得”空间望远镜探测暗物质、暗能量的最新进展

暗物质、暗能量已成为当前宇宙学、天文学、天体物理学领域的前沿热点。科学家通过研究暗物质、暗能量，试图了解宇宙演变、星体形成等更多细节。

暗物质是未知粒子的集合，最初于1933年由瑞士裔美国物理学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）命名，他通过研究后发座星系团，推断出大量未知物质的存在，称其为“暗物质”，意为“丢失的质量”。宇宙学家假定宇宙中存在总量是正常原子物质5倍的暗物质。当前，暗物质候选粒子包括大质量弱相互作用粒子（WIMP）、轻暗物质、轴子等。粒子物理学家正试图通过更尖端的科学望远镜寻找暗物质信号。

天文学家认为，暗能量在宇宙中起斥力作用，是导致宇宙加速膨胀的主要原因之一。其最初来自爱因斯坦引力场方程，为了使宇宙保持静态，他在方程中引入“宇宙常数”。当爱因斯坦发现宇宙膨胀正在加速时，他对引入的“宇宙常数”十分懊恼，将其视为“最大的错误”。现在看来，“宇宙常数”似乎成了“暗能量”的代名词，这仿佛是爱因斯坦的伟大预言。天体物理学家则通过研究宇宙结构、微波背景辐射等间接方法了解暗能量。

宇宙中暗物质、暗能量占95%，而可见物质仅占5%。如此大量的暗物质、暗能量存在于宇宙，又影响着宇宙，却不被人类直接发现和感知，此现象一经出现就成为科学界难题。为试图解开这一谜团，欧洲航天局（ESA）推出“欧几里得”（Euclid）空间望远镜，这是ESA为探寻暗物质、暗能量而全力打造的一款尖端空间望远镜，并以古希腊数学家欧几里得命名。该望远镜已于2023年7月发射，2024年2月14日启动常规科学观测，分别于2023年11月和2024年5月为人类带来了暗黑宇宙的精彩图像，通过这些最新成果，科学家试图发现更多的宇宙秘密。

可见光相机

可见光相机以大视野、高锐度的方式观测宇宙，一次可观测0.5平方度天区，相当于2.5个满月面积，经优化后它对550～900nm波段极其敏感，平均图像分辨率为0.23″。可见光相机可持续观察宇宙中的物体，提供最强的低光灵敏度，通过高质量图像进行弱透镜星系剪切测量。VIS有一个焦平面阵列（FPA），使用了36个电荷耦合器件（CCD），每个CCD至少包含4000×4000像素，每个像素为12μm×12μm，这意味着可见光相机总像素可达600万。

光线在传播中其轨迹会受力的影响，所观测到的星系形状也因受力的影响而变化。相比于地面望远镜，可见光相机观测宇宙的视角更为清晰、锐利，其目标为宇宙中超过10亿个星系的形状、位置等信息。科学家通过所得数据，对数千万个天体的距离进行估计，试图通过绘制宇宙三维视图研究宇宙加速及其进化史。

近红外光谱仪和光度计

近红外光谱仪和光度计专注于星系的光谱测量，以最广阔的红外视野测量星系的亮度和强度，通过确定每一波长发射的光数测量星系红移，通过星系红移推测星系位置、距离等信息。NISP观测范围与VIS相同均为0.5平方度天区，分辨率为0.3″，该仪器使用16个探测器组成的网格测量近红外光（900～2000nm），其中每个探测器包含2040×2040像素。

近红外光谱仪和光度计通道配备了Y、J、H共3个波段的滤波器，覆盖范围分别为900～1192nm、1192～1544nm、1544～2000nm。当光到达探测器后会根据不同波长分别通过通道，科学家根据数据信息对星系亮度进行成像和比较。通过这些信息，科学家可对宇宙进行描绘，以呈现暗物质、暗能量的更多信息。

“欧几里得”将在至少6年任务期内对1/3天区约15000平方度进行扫描，通过观测宇宙，绘制3D“宇宙图”，发现暗物质、暗能量的蛛丝马迹。

2023年11月7日，“欧几里得”发布了第一组科学图像（见图1），通过“欧几里得”所拍摄的锐度极高的暗黑宇宙图像，实现科学家们首次对暗物质、暗能量的共同研究，试图解答现代物理学最大的谜团之一。

图1 耀眼的暗黑边缘

英仙座星系团
“欧几里得”第一组图像预示了一场天文学革命，它呈现出英仙座星系团（Perseus Cluster of Galaxies）中的1000个星系，及更遥远的10万多个星系，每个星系中又包含多达数千亿颗恒星。其中有些微弱星系距离我们过于遥远，以至于之前并未被科学家观测到。

英仙座星系团距离地球2.4亿光年，是宇宙中已知最大规模的结构之一。天文学家称只有当宇宙中存在暗物质时，像英仙座这样的星系团才能形成。如果没有暗物质存在，宇宙中的星系将均匀分布。暗物质在引力的作用下形成丝状宇宙网结构，暗物质丝间的交叉点使得星系连接成星团。星团中的微弱星系（如：矮星系）是科学家感兴趣的对象。宇宙学家通过对微弱星系团内和背景中的形状研究，分析弱引力透镜效应，绘制星系的整体图像，试图解析更多关于暗物质如何塑造宇宙万物的奥秘。

螺旋星系IC 342

螺旋星系IC 342（Spiral Galaxy IC 342）位于银河系圆盘之后，被尘埃、气体和恒星所遮挡，很难被观测到，因此，该星系又称“隐藏星系”。“欧几里得”携有近红外仪器，可穿透尘埃，展现超强的灵敏度和精湛的光学效果，可探测到低质量的光线，拍摄清晰而漂亮的图像。螺旋星系IC 342看似普通，实则覆盖了整个星系。

螺旋星系IC 342图像大小犹如满月，距离地球约1100万光年，从天文学角度看是距离我们非常近的星系。它呈螺旋状，与银河系相似，有助于我们对所处的银河系及相似星系的认识。科学家在螺旋星系IC 342中发现以前未曾看到的许多球状星团，而且这些球状星团是数十万颗恒星由引力聚集而成，科学家可通过放大图像区分单星和星团，了解恒星所形成过程，研究其在星系的演进中如何形成和进化。“欧几里得”所观测到的数十亿个相似星系沿着暗物质丝状宇宙网分布，科学家以此勾勒出宇宙中暗物质分布的3D视图，通过这一视图将帮助科学家掌握研究暗物质、暗能量的更多科学细节。

不规则星系NGC 6822

宇宙早期的大多数星系看起来并不像完整星系，而是显现为不规则且较小的样子，但这更像是大星系最初的形态。不规则星系NGC 6822（Irregular Galaxy NGC 6822）是“欧几里得”所观测到的第一个不规则矮星系，距离地球160万光年。1925年埃德温·哈勃首次将该星系确定为银河系之外的“遥远恒星系统”。它曾被多次观测到，但“欧几里得”是第一个在约1h内以高分辨率捕捉到整个星系及其周围环境的探测器。这对于易被大气遮挡的地面望远镜和拍摄范围较小的空间望远镜来说无法实现。

这一星系有趣的地方是，它的恒星含有少量的氢和氦以外的元素。这些“金属”元素是由恒星在其一生中形成，因此在宇宙早期并不常见。通过研究NGC 6822中“低金属”星系，可帮助我们了解星系在宇宙早期的进化。科学家在NGC 6822中发现球状星团，它们是宇宙早期的一些古老天体，且大多数恒星均由同一朵云形成。通过“欧几里得”对不规则星系的观测，科学家将研究星系团的具体分布信息，揭示出更多有关星系形成的线索。

球状星团NGC 6397

球状星团NGC 6397（Globular Cluster NGC 6397）距离地球约7800光年，是宇宙中最古老的天体之一，球状星团含有星系进化的更多信息。但球状星团很难被一次性完整捕捉，且其中心的许多恒星所发出的亮光淹没了其他较暗的恒星。而正是这些微弱、暗淡的恒星可告诉我们更多的宇宙信息。“哈勃空间望远镜”（HST）已对NGC 6397核心进行观测，但其绘制星团外层图像需花费大量时间。欧洲航天局的“盖亚”（Gaia）空间望远镜可跟踪球状星团的运动轨迹，但无法确认微弱恒星的变化情况。地面望远镜具有较为广泛的视野，但深度和分辨率都较低。“欧几里得”不但可在较短时间内完成观测，还可提供锐度极高的宇宙图像。目前，还没有其他望远镜像“欧几里得”一样可完整观测球状星团，同时可区分外层的微弱恒星和其他宇宙源。

潮汐尾是由球状星团与星系之间相互作用而形成，延伸到星团之外很远的恒星轨迹。科学家预测银河系的所有球状星团都应有此种结构，但目前仅在几个球状星团周围发现。如果没有潮汐尾，那么球状星团周围可能存在暗物质晕，以阻止外层恒星逸出。但科学家仅预测像银河系这样更大结构的周围有暗物质晕，而不预测像球状星团这样小型星团的周围可能有的暗物质晕。如果科学家发现了潮汐尾，就可实现精确计算星团的轨迹。通过这些信息分析银河系中暗物质的分布。

马头星云

“欧几里得”展示了马头星云（Horsehead Nebula）的壮观全景和详细视图，是“猎户座”分子云的一部分，因酷似马头形状而得名。马头星云距离地球约1375光年，是最近的巨型恒星形成区域。其他望远镜也曾拍摄过马头星云，但却都没有像“欧几里得”望远镜这样能够在1h内一次性拍摄得如此清晰和宽广。

科学家对马头星云感兴趣的原因是恒星形成于非常特殊的条件下，这些特殊条件是由位于马头上方猎户座西格玛星的辐射所造成的。这颗星亮度极高，若望远镜直接朝向它，将会看不到其他任何东西。西格玛星所发出的紫外线照射马头星云后方，但马头星云本身厚厚的云层则阻挡了它后面的光线穿过，这使得马头星云头部看起来较暗。科学家通过分析暗云和亮云研究恒星在其中形成的差异性。西格玛本身是由一百多颗恒星组成的星团，这一星团也称为疏散星团。天文学家并未了解星团中恒星的整体情况。通过“欧几里得”所拍摄的马头星云，希望在恒星诞生地找到更多以前所不曾发现，亮度微弱，处于天体形成期类似于木星质量大小的行星、褐矮星及恒星，将为科学家提供更为完整的恒星全貌。

第一组科学图像不但向我们展现了更为壮观的马头星云，也为我们展现了英仙座星团，综合其他图像可见这是以前并未察觉或者无法察觉的新发现，对于我们了解宇宙中的暗物质、暗能量提供了更为确切的信息。

2024年5月23日，“欧几里得”发布了最新的宇宙图像（见图2），这不仅展示了“欧几里得”探索宇宙的能力，而且科学家还可以通过最新科学成果更好地研究暗物质，更为准确地推测宇宙的进化历程。

图2 闪亮的宇宙景观

阿贝尔2390
阿贝尔2390（Abell 2390）位于27亿光年外的飞马座，它像银河系一样都是由许多星系聚集而成的星系团，包含了至少5万个星系及超过太阳质量10万亿倍的质量，其中绝大部分是以人类尚且无法观测到的暗物质形式存在。科学家称像阿贝尔2390这样的星系团是暗物质的大型储存库，成为研究暗物质特性的最理想天体物理学实验室。

暗物质未被科学家直接观测到，但通过“欧几里得”所拍摄图像中的引力透镜效应，可间接推算星系团中暗物质数量和分布。“欧几里得”还帮助科学家了解宇宙中星系团数量和质量是如何随宇宙进化而进化，从而进一步揭示出关于宇宙进化及暗物质、暗能量的更多信息。“欧几里得”对阿贝尔2390剖面图展现了恒星从母星系被撕裂后飘落到星系之间时所发出的微弱的“星团内光”，科学家推测这些飘落的“恒星孤儿”可让我们“看到”暗物质的具体位置。通过扫描1/3天区捕获数千个星系团，帮助科学家获得对暗黑宇宙研究的更多细节。

梅西耶78

梅西耶78（Messier 78）位于1300光年的猎户座，它被星际尘埃所包裹，是一个具有活力的恒星形成温床。气体和尘埃所组成的暗黑云层遮挡了此区域，因此也可理解为恒星隐藏区。“欧几里得”所携带的近红外仪器可穿透暗黑云层深入其内部，以前所未有的细节拍摄到复杂的气体和尘埃丝，并发现刚刚诞生的恒星和行星。这是人类首次在梅西耶78所看到的个体较小的亚恒星天体。

“欧几里得”携带的科学仪器能探测到木星质量几倍的物体，VIS和NISP仅在这个范围内就捕获30多万个新物体。科学家通过这些数据来研究此处的恒星和亚恒星天体的数量，帮助科学家掌握恒星种群是如何随时间而形成和变化的动力学信息。当前暗物质的候选者推测为棕矮星、“孤儿星体”等亚恒星天体，通过后续观测到的更多细节将有可能确定暗物质的准确信息。

螺旋星系NGC 6744

螺旋星系NGC 6744位于3000万光年外的帕沃星座，是我们所在宇宙区域之外的最大螺旋星系之一，它也是宇宙中正在形成恒星星系的典型。“欧几里得”以超大视场覆盖了整个星系，这不仅展现了螺旋星系的大尺度结构，也剖析了小尺度上的更多精彩细节，包括从螺旋臂中延伸出的尘埃带。“欧几里得”拍摄的锐度极高的图像，不仅可清晰地了解NGC 6744中所包含的单个恒星，还可追踪该星系中更为广泛的恒星和尘埃分布。通过绘制银河系三维尘埃分布图揭示星系演化新线索，解释我们的宇宙为什么看起来是现在的样子。

科学家正在通过“欧几里得”所拍摄的数据理解尘埃、气体与恒星形成之间的关系，通过更详细的内容绘制出不同恒星群体在星系中的分布情况，以及当前恒星形成的具体位置，用以揭示出螺旋星系结构背后的物理原理。螺旋结构对星系至关重要，螺旋臂通过移动和压缩气体促进恒星在此形成，但此处的具体形成方式还未知。“欧几里得”拍摄数据还为科学家识别球状星团的一些老恒星群及寻找NGC 6744周围的新矮星系提供支持。

阿贝尔2764

阿贝尔2764（Abell 2764）位于距离我们约10亿光年的凤凰星座（Phoenix Constellation），它是一个包含有数百个星系的极其密集的区域，这些星系围绕一个由暗物质所构成的晕轨道运行。“欧几里得”深入这片区域捕捉到一系列天体，如背景星系、更遥远的星系团、相互碰撞的星系，以及它们抛出的星流和星壳，并且拍摄到一个侧向的螺旋星系，这让科学家清晰看到其盘状的结构。

“欧几里得”具备深场宽视角的观测能力，帮助我们看到阿贝尔2764及其周边区域清晰完整的图像。科学家根据这些信息确定该星团的半径，并深入研究其外围区域。阿贝尔2764向科学家展现了一些暗黑宇宙深处且遥远的星系，这是存在于宇宙仅有当前年龄的5%，当时宇宙只有约7亿年的历史，这些数据可帮助科学家分析第一批星系的形成过程。我们知道，通过望远镜观察恒星时，由于望远镜光学元件的作用，观察到光线会向外散射成尖刺状。“欧几里得”基于尖端科学设计使这种散射达到最小。这不仅能帮助科学家非常精确地测量较亮的恒星，并能在不受光干扰的情况下捕捉到附近星系。

多拉多星系团

多拉多星系团（Dorado Group of Galaxies）位于6200万光年外的多拉多星座，这是南半球最丰富的星系群之一，在这里进行的星系进化过程痕迹被“欧几里得”所记录，在此我们可清晰看到星系间相互作用而形成的潮汐尾。多拉多星系团相对较为年轻，其中一些星系仍处于孕育恒星的进程中，而另一些则呈现出最新合并的迹象。通过分析多拉多星系团的规模，科学家认为它位于较大星系团和较小星系团之间，进一步分析将会获得更多有价值的信息。

这些信息可帮助科学家了解星系在暗物质晕中形成的过程，从而推演星系是如何随时间而进行，以获取更为准确的信息来改进我们现有的宇宙学模型。从拍摄的结果可以看到大量星系，而且有的非常亮，有的又非常暗，这得益于“欧几里得”空间望远镜所具有的大视野和高分辨率能力。这不仅帮助科学家突破仅用小片段数据来解释各种疑问的局限，还可以帮助科学家通过更完整的图像追踪星系的形成过程，甚至可以用来寻找新的矮星系。这将会极大丰富我们对宇宙的认识和了解。

第二组科学成果的展现代表了“欧几里得”具备的极高锐度和极广视野，不但拍摄到数量极多的星系团，还拍摄到极深的宇宙深处，这些科学成果不但帮助科学家了解星际尘埃、恒星形成，还有助于确定暗物质候选者，为了解宇宙未知信息提供更多线索。

“欧几里得”望远镜两次科学成果的发布不但为我们展示出它的极强观察能力，更为我们带来了未曾见过的暗黑宇宙中的精彩图像。图像中有的星系距离我们极其遥远，有的光线极其微弱，但通过ESA的“欧几里得”望远镜，都以绝佳的视角和清晰度展示出来。这些图像和数据不但可帮助科学家了解恒星的形成，更能为探索暗物质、暗能量及绘制宇宙三维视图提供确切信息。

2024年10月15日，“欧几里得”公布了宇宙3D图的“第一页”，这包含了约1亿个恒星与星系源，其中约1400万个这样的星系可用于研究暗物质和暗能量对宇宙的影响，而这仅是“欧几里得”任务的1%。在未来至少6年的任务期内，“欧几里得”将以前所未有的准确性和灵敏度对1/3宇宙展开巡天科学观察，绘制出完美的3D“宇宙图”，并试图打开宇宙深层的奥秘，帮助科学家了解暗物质、暗能量的更多细节。未来的科学成果会丰富我们对宇宙的初始认知，让我们共同期待这更加靓丽的暗黑宇宙之光。