揭露暗物质:欧几里得正在探索宇宙的黑暗面
2024-10-16 11:23

揭露暗物质:欧几里得正在探索宇宙的黑暗面

  

  

  欧几里得的优势在于它的多样性:欧几里得大图像平面的这一小部分显示了英仙座星系团的细节。在2.4亿光年外的前景星系团中,可以清晰地辨认出各种类型和形状的星系,以及背景中一系列暗淡的漫射点——在欧几里得拍摄到这些星系之前,这些星系的光已经传播了数十亿年。资料来源:ESA/Euclid/Euclid联盟/NASA,图像处理由j.c。G.安塞尔米;Cc比sa 3.0 igo

  要理解宇宙是如何形成的以及它是如何演变成现在的形式,需要两件事。宇宙学计算机模型利用物理定律来描绘宇宙今天的预期外观,同时用望远镜进行观测来检验这些模型是否正确。

  欧几里得太空望远镜(Euclid Space Telescope)将首次有能力在三维空间中测量数十亿个星系的位置,这些星系几乎涵盖了从地球上可观测到的整个宇宙。首批科学图像现已公布。

  这位艺术家的印象描绘了欧几里得宇宙飞船。欧几里得是一项开创性的任务,旨在观察数十亿个微弱的星系,研究宇宙加速膨胀的起源,以及暗能量、暗物质和引力的神秘本质。来源:欧洲航天局

  欧几里得太空望远镜简介

  欧几里得是欧洲航天局(ESA)最新的太空望远镜,它发布了第一张来自太空的彩色图像。这些图像来自其两种仪器的数据组合:VIS(可见光仪器)和NISP(近红外光谱仪和光度计),设计用于使用大面积探测器捕获可见光和近红外光。

  欧几里得最重要的任务是对宇宙进行最详细的三维测绘,从而揭开宇宙的一些黑暗秘密。欧几里得联盟的德国成员,包括马克斯普朗克天文学和地外物理研究所,已经开发了望远镜的关键技术部件。他们还为管理庞大的数据流提供后勤服务,并确保发布数据的质量。

  在暗物质的轨迹上:这张来自欧几里得的图像是第一张在如此大的图像部分同时捕捉英仙座星系团中如此多的星系,并且具有如此高的细节水平。这张照片显示了英仙座星系团的1000个星系,英仙座星系团是宇宙中最大的结构之一。在背景中可以识别出距离更远的5万多个星系。图片来源:ESA/Euclid/Euclid联盟/NASA,图像处理由j.c。Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, CC BY-SA 3.0 IGO

  欧几里得的宇宙观

  以前的太空望远镜,如哈勃或詹姆斯·韦伯,都是为了对天空中很小的区域进行详细检查而建造的。另一方面,欧几里得以同样高的图像质量拓宽了视野:由于它的大光学,灵敏的仪器,以及它在令人不安的地球大气层之外的位置,它在相对较短的观测时间内提供了大片天空的图像,这些图像也非常清晰,包含了遥远星系的微弱光线。

  欧几里得联盟的成员在公布的图像中,用五个选定的物体展示了欧几里得的全部潜力。每张图像覆盖的区域略大于满月。到任务结束时,大约40,000个这样的图像部分将被合并,在天空中形成约14,000平方度的广阔区域。这构成了整个天空的三分之一,不包括我们自己的星系——银河系。

  这是一个让人想起我们的银河系的星系:IC 342星系距离我们1100万光年,在天空中看起来大约有满月那么大。在运行过程中,欧几里得将拍摄数十亿个比IC 342更遥远的其他星系,并揭示暗物质和暗能量的无形影响。图片来源:ESA/Euclid/Euclid联盟/NASA,图像处理由j.c。Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, CC BY-SA 3.0 IGO

  欧几里得图像的启示

  现在发布的这些图像非常清楚地显示了一件事:每张图像都将成为对单个恒星、银河系或遥远星系的物理学有新见解的宝库。

  来自慕尼黑附近加兴的马克斯普朗克地外物理研究所和慕尼黑路德维希·马克西米利安大学的马克西米利安·法布里修斯说:“这架望远镜将收集大量的数据,探测到比以前更多的物体。”

  海德堡马克斯普朗克天文研究所的仪器科学家Knud Jahnke证实了这一点:“我们都需要适应欧几里得将提供的丰富信息。”

  深度快照:这部分图像比英仙座星团的整体图像大约小200倍,它给人的印象是在前景英仙座星团的宏伟图像旁边丢失的细节。最亮的有六个星形“尖峰”的点是我们银河系前景中的恒星。在它们之间是许多分散的红色斑块,与宇宙早期的星系相对应。有些是如此遥远,以至于它们发出的光需要100亿年才能到达我们这里。图片来源:ESA/Euclid/Euclid联盟/NASA,图像处理由j.c。Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, CC BY-SA 3.0 IGO

  英仙座星系团就是一个例子。这些星系团是宇宙中最大、质量最大的结构之一。如果没有暗物质网络,这里描绘的星系会均匀地分布在天空中。

  马克斯·普朗克地外物理研究所的科学家马蒂亚斯·克鲁格(Ludwig-Maximilians-Universit?t)解释说:“借助欧几里得的巨大视野和非凡的灵敏度,英仙座星系团内的星系可以测量到它们最外层和最微弱的区域。”

  在同一张图像中还有其他星系没有与英仙座星团相连。考虑到光传播的速度有限,你越往宇宙里看,你会发现越古老的星系,你会发现处于不同发展阶段的星系越多。这些丰富的信息将极大地有助于研究人员对宇宙早期的理解,以大量的星系碰撞和合并为标志。”

  银河系附近的一个奇异星系:不规则星系NGC 6822是矮星系的一个例子,它没有像我们银河系那样的正常旋臂。这样的星系被认为是可以在附近的年轻宇宙中发现的成熟星系的基石——欧几里得将全面绘制这个宇宙。如果你仔细观察,你可以辨认出单个恒星,甚至是超新星遗迹。图片来源:ESA/Euclid/Euclid联盟/NASA,图像处理由j.c。Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, CC BY-SA 3.0 IGO

  揭开暗物质和暗能量之谜

  大约95%的宇宙似乎是由神秘的“黑暗”元素组成的,这些元素也在英仙座星系团的形成中发挥了作用。虽然暗物质决定了星系之间和星系内部的引力效应,并最初减缓了宇宙的膨胀,但暗能量正在推动当前宇宙的加速膨胀。

  然而,暗物质和暗能量的本质仍然难以捉摸。科学家们所知道的是,这些物质会导致通过望远镜观察到的物体的外观和运动发生微妙的变化。为了探测“黑暗”对可见宇宙的影响,欧几里得将在未来六年内观测100亿光年以外的数十亿个星系的形状、距离和运动。

  在这里,来自NIST红外仪器的光谱信息与来自地面望远镜的光谱相补充,这将非常准确地确定欧几里得成像的星系的距离和运动,并将欧几里得的二维照片转化为有史以来最全面的可见宇宙三维地图。

  背景信息

  欧几里得是欧洲航天局(ESA)的一项太空任务,得到了美国国家航空航天局(NASA)的资助。这是欧空局“宇宙视野”项目的一部分。

  摄像机VIS和NISP是由来自17个国家的科学家和工程师组成的联盟开发和建造的,其中许多来自欧洲,但也有来自美国、加拿大和日本。来自德国的海德堡的马克斯·普朗克天文研究所、加兴的马克斯·普朗克地外物理研究所、慕尼黑的路德维希·马克西米利安大学、波恩大学、波鸿鲁尔大学和波恩德国航空航天中心的德国航天局都参加了此次会议。

  德国航天局在DLR协调德国欧空局的捐款,并为参与的德国研究机构提供资金。德国是欧空局科学项目的最大贡献者,约占21%。

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