歐幾里得太空望遠鏡釋出首批令人驚歎的科學影像

來自歐幾里得太空望遠鏡的首批全綵色科學影像展示了數十萬個星系、星團和其他令人驚歎的宇宙物體的晶瑩剔透的景象。

這些影像僅僅是研究人員期望這架距離地球 150 萬公里的太空望遠鏡在其計劃的六年主要任務中提供的成果的冰山一角。這個歐洲航天局（ESA）的專案旨在研究宇宙的大尺度結構，以幫助解開暗物質和暗能量的謎團。ESA 科學計劃主管 Carole Mundell 在 2023 年 11 月釋出這些影像的網路直播中表示，影像的釋出標誌著任務的校準和測試階段的結束，以及進入日常科學觀測階段。“今天是一個具有標誌性意義的日子，”Mundell 說。

宇宙學家知道，宇宙中我們熟知的部分——恆星和其他可見物質，以及電磁輻射和其他熟悉的能量形式——僅佔宇宙真實存在的約 5%。其餘的是暗物質和暗能量。前者是一種幾乎不可見的物質，除了其引力外，而後者是一種神秘的力量，驅動著宇宙加速膨脹。暗物質和暗能量都微妙地影響著星系和星系團的形狀和排列，這些星系和星系團共同在廣闊的“宇宙網”中形成絲狀結構、薄片和空洞。

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歐幾里得望遠鏡於 2023 年 7 月發射，旨在利用先進的 6 億畫素可見光相機以及廣域近紅外光譜儀和光度計探測這一龐大結構的精細細節。首批影像聚焦於可見的事物：螺旋星系、橢圓形的恆星漩渦以及像蒲公英絨球般的星團，這些星團因引力而聚集在一起。

“這是冒險的開始，”約翰·霍普金斯大學的天體物理學家亞當·里斯說，他沒有參與歐幾里得任務，但領導了發現宇宙加速膨脹率的團隊，並因此項工作分享了 2011 年諾貝爾物理學獎。

這些影像非凡的清晰度和廣度證明了歐幾里得望遠鏡以驚人的清晰度 survey 大片天空的能力。其中許多影像提供了對經過充分研究的區域的廣闊視野，其他望遠鏡只能透過耗時的大量觀測拼接而成的合成影像來複制。相比之下，歐幾里得可以在不到一個小時的時間內捕捉到如此大規模的快照。在望遠鏡拍攝的第一張英仙座星系團快照中，有超過 10 萬個星系，其中包括以前從未見過的極其微弱的星系。

歐幾里得望遠鏡拍攝的附近螺旋星系 IC 342 的影像突顯了該望遠鏡敏銳的目光。這個星系通常隱藏在銀河系塵埃和氣體密佈的中心平面之後。然而，歐幾里得的近紅外相機可以探測到來自這個鄰近星系的一些熱量，這些熱量可以毫髮無損地穿過這種遮蔽物質。然後，研究人員使用偽色將這些原本不可見的波長轉換為可見影像。

“我們研究像這樣的星系的自轉，實際上是為了推斷出我們的宇宙中有多少暗物質，”ESA 的空間科學研究員瓜達盧佩·卡尼亞斯·埃雷拉在 11 月的網路直播中說。

歐幾里得任務的目標是建立我們有史以來最廣泛的宇宙三維地圖。為了實現這一目標，望遠鏡的巡天觀測將覆蓋三分之一的天空，並延伸至 100 億光年的距離。考慮到宇宙 138 億年的年齡和光速的有限性，這意味著歐幾里得將探測宇宙網的演化，時間接近第一批恆星形成的時候。“你能夠去探索宇宙的一部分，直到現在，我們對這部分宇宙的資料還非常少，”多倫多大學觀測宇宙學研究員坦維爾·卡里姆說，他沒有參與這項任務。

在其中一張影像中，不規則星系 NGC 6822 像薄霧一樣閃爍，其恆星形成區域呈現為（偽色）紫色團塊。紫色色調來自星系中電離氣體的混合，電離氣體呈現藍色，而塵埃呈現紅色。另一張影像突出了馬頭星雲，獵戶座“腰帶”中的一個恆星形成區。NASA 噴氣推進實驗室的觀測宇宙學家傑森·羅茲在網路直播中表示，藉助歐幾里得望遠鏡的敏銳精度，研究人員希望在星雲中找到隱藏的棕矮星。棕矮星是發光物體，它們太小而無法成為恆星，但又太大而不能被認為是行星。更多地瞭解它們的形成方式可能有助於科學家更好地理解恆星和行星誕生的變幻莫測。

望遠鏡的高精度觀測將實現對弱引力透鏡前所未有的測量——這是背景星系和星團的光線因中間大質量物體的引力場而發生的微妙彎曲。研究人員可以利用這些微弱的扭曲來繪製暗物質的分佈圖。該望遠鏡還將用於研究重子聲波振盪（BAO）。這些是在大爆炸後最初約 30 萬年中，從充滿宇宙的熾熱等離子體中凍結出來的物質密度中的波浪狀漣漪，據認為它們影響了星系隨後形成的位置。繪製遙遠星系的分佈圖將有助於揭示這些漣漪的存在和模式——這兩種目前尚不明確的測量型別可以幫助宇宙學家確定宇宙的確切膨脹率。

荷蘭萊頓大學的觀測宇宙學家亨克·胡克斯特拉在影像釋出後的新聞釋出會上說，歐幾里得望遠鏡利用 BAO 和弱引力透鏡進行最宏大的測量，有點像觀察游泳池底部的物體。在這個比喻中，池水是看不見的暗物質和暗能量，它們扭曲了可見的物體。你可能無法直接觀察到水，但透過研究物體的扭曲，你可以推斷出水的深度和流動情況。

“如果我們測量這些星系的形狀並將它們平均在一起，我們就會看到這些星系，成千上萬個，是如何顯示出首選方向的，”胡克斯特拉說。

歐幾里得望遠鏡視野的驚人深度在其拍攝的 NGC 6397 影像中顯而易見，NGC 6397 是距離地球第二近的球狀星團。成千上萬個針尖般的光點——其中大多數是無名的、遙遠的星系——潛伏在背景中。“我們有如此巨大的視野，”德國波恩大學阿格朗德研究所的天文學家仲島玲子在新聞釋出會上說。

目前，約翰·霍普金斯大學的里斯說，對於推動宇宙膨脹速度越來越快的暗能量，有兩種相互競爭的普遍解釋。一種是暗能量是宇宙常數，是空間不變的屬性，這意味著宇宙將繼續無限膨脹，將遙遠的物體永遠掃出我們的區域性視點之外。另一種是暗能量不是宇宙常數，這意味著它可能會隨著時間推移發生根本性的變化。這可能導致兩種極端且截然不同的結果：“大坍縮”，其中暗能量將變成一種吸引力並導致宇宙坍縮；以及“大撕裂”，其中暗能量將增強到撕裂物質並撕裂時空本身。里斯補充說，還存在第三種包羅永珍的解釋：我們目前的引力理論可能完全是錯誤的，在這種情況下，所有的預測性賭注都將落空。

“我們不知道答案會是什麼，”他說。“這就是為什麼人們對這些方法感到非常興奮。”

歐幾里得並非唯一一個全景探測這些問題的專案。據官方新華社報道，中國計劃於 2025 年發射的巡天空間望遠鏡旨在以類似於哈勃太空望遠鏡的解析度繪製 40% 天空中的遙遠星系圖。亞利桑那州基特峰國家天文臺的地面暗能量光譜儀（DESI）也在探測天空中的 BAO。美國宇航局的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡預計將於 2027 年發射，它也將以類似哈勃的解析度對其自身廣泛的宇宙結構 survey 進行探測，因為它將目光投向銀河系中心，以尋找弱引力透鏡的跡象等等。

多倫多大學的卡里姆說：“我們實際上正在進入一個同一片天空區域被多臺望遠鏡觀測的時代。” 你可以“從不同的 survey 中引入優勢，以一種彌補彼此弱點的方式。你可以構建更全面的圖景。”