欧几里得任务是欧洲航天局(ESA)开展的一项雄心勃勃的项目，旨在调查和了解我们宇宙中两个神秘成分的本质:暗物质和暗能量。该航天器于2023年7月1日发射，将观测100亿光年以外的数十亿个星系，以构建有史以来最精确的宇宙3D地图。来源:欧洲航天局
欧几里得是由欧洲航天局(ESA)领导的一项太空任务，其中包括由罗大学设计和制造的大型光学相机伦敦大学(UCL)的研究人员将绘制宇宙的大尺度结构图，以更好地理解两个神秘的组成部分:暗物质和暗能量。
在我们周围的世界中，我们所能看到和探测到的一切——恒星、星系、花朵、我们的身体、原子——只占宇宙的5%。根据目前的理论，它的其余部分由两部分组成:暗物质和暗能量。它们的存在是间接推断出来的。暗物质使星系聚集在一起;暗能量正在加速宇宙的膨胀。但它们究竟是什么还不得而知。现在，一架望远镜被发射到太空，以帮助解开这个谜团。
来自伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室的汤姆·基钦教授是欧洲航天局领导的欧几里得任务的四位科学协调员之一。他说，它带回的数据有可能确定暗能量是否是“真空能量”——虚粒子在真空中突然出现和消失的能量。如果是这样的话，粒子物理学的基本理论将需要修正，因为这种真空能量需要比目前理论预测的要强大得多。如果不是，那么爱因斯坦的引力理论可能是错的。“无论哪种方式都将是物理学的一场革命，”他说。
2019年，法国戛纳，泰雷兹阿莱尼亚航天公司的欧几里得宇宙飞船复制品。图片来源:Stephane Corvaja/ESA
的有限公司欧几里得任务背后的联盟
这项任务是一个庞大的合作项目——仅提出这项任务的财团就由来自15个国家的2000名科学家和工程师组成。这个望远镜有两个仪器。一个是近红外光谱仪和光度计(NISP)，它将捕捉不可见的近红外光谱的光。另一个称为VIS，将捕捉可见光。Mark Cropper教授(UCL Mullard空间科学实验室)(见下图)领导设计和开发VIS光学相机超过16年，与UCL，开放大学和欧洲各地的团队合作。
Mark Cropper教授，UCL Mullard空间科学实验室。信贷:伦敦大学学院
该相机是有史以来送入太空的最大的相机之一，将拍摄100亿年前宇宙大片的高分辨率全景图像，覆盖三分之一的夜空。利用这些数据，天文学家将测量20亿个星系的形状，并使用一种称为弱引力透镜的技术——观察来自遥远星系的光在到达望远镜的途中是如何被干预物质的引力弯曲的——比以前更精确地推断出可见物质和暗物质的大规模分布。
用VIS窥视过去和未来
由于观测遥远的星系使我们能够回顾过去，天文学家可以分析暗物质在整个宇宙历史中是如何演变的。这让我们深入了解暗物质(将星系结合在一起)和暗能量(将它们分开)之间的相互作用。
VIS的广阔视野意味着，虽然它拍摄的图像几乎和哈勃太空望远镜一样清晰，但它覆盖的天空面积要大得多——一天覆盖的面积与哈勃望远镜25年覆盖的面积相同。每张图像需要300个高清电视屏幕才能显示。在六年的时间里，它将允许测量超过15亿个星系的形状。“这些是巨大的、前所未有的图像，”克罗珀教授说。
有限公司VIS摄像机的构建与测试
VIS相机是由伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室领导的一个泛欧项目。它的结构和校准单元来自法国，快门来自瑞士，处理单元在意大利建造。核心电子设备，包括36个ccd阵列(将光子转换为电子)，都是在MSSL建造、测试和校准的。
2023年6月，一名工程师在MSSL的洁净室测试用于“守夜”空间气象卫星的等离子分析仪。图片来源:伦敦大学学院/ James Tye
该实验室位于萨里山(Surrey Hills)的一座维多利亚式豪宅内，由60名工程师和140名科学家组成。它已经支持了300个太空任务。在MSSL设计和制造的仪器已经到达了太阳系的许多角落，从火星到土星再到靠近太阳的地方，并帮助照亮了最遥远的星系。英国第一枚火箭“云雀号”的模型放在楼梯的底部。
当我在欧几里得发射前不久访问欧几里得时，工程师们正在一间洁净室里(见上图)测试一台等离子体分析仪，该分析仪将用于太空气象卫星“守夜”(Vigil)(定于本世纪20年代中期发射)，方法是向它发射离子。氮气通过管道输送，以保持仪器低温，模拟太空环境。
克里斯汀·布罗克利-布拉特，VIS项目经理，在MSSL之外。图片来源:伦敦大学学院/ James Tye
欧几里得任务中的关键作用和挑战
克里斯汀·布罗克利-布拉特(伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室)是VIS摄像机的项目经理。她负责运送12套电子设备(和两个备件)，并支持它们集成到航天器上。(这是在MSSL远程完成的，就像在大流行期间一样。)她说，这是“极其复杂的物流”，不同的设备在欧洲各地来回运输。除了广泛的工程知识外，该职位还需要耐心和人际交往能力。“这基本上是妈妈的工作，”她开玩笑说。“你必须确保每个人都没事。”
数据处理和对清晰度的追求
从某种意义上说，它的图像传送只是工作的开始。数百名科学家将参与将原始数据处理成汇总统计数据，天文学家可以将其与我们目前的宇宙模型进行比较。来自VIS的灰度数据将与来自地面的Vera C. Rubin天文台的彩色数据以及来自另一个欧几里得仪器NISP的红外数据相结合，使研究小组能够根据亮度和距离对物体进行分类。将使用的算法本身就是先进的发展。
欧几里得任务的理论、期望和潜在影响
Benjamin Joachimi教授(UCL物理与天文学)是这个过程最后的副组长，他的工作是协调总结并创建一个整体视图。“如果你只看一个星系，它不能告诉我们太多，”他解释说。“但是很多星系可以告诉我们宇宙的性质。”
这一过程是地面部分的一部分，也就是任务的地面部分，是艰苦但至关重要的。“地面部分的每一步都必须完美完成，”Joachimi教授说。“任何微小的错误都可能搅乱最终得出的科学结论。有些精度要求可以以百万分之一来衡量。”欧几里得对星系的敏锐观察——与之前对宇宙的调查相比，它的分辨率提高了——“提高了我们处理这些信息的准确性。”
Benjamin Joachimi教授，来自伦敦大学学院天文台，伦敦大学学院各学科的本科生可以在这里学习实用天文学。来源:伦敦大学学院/ Mike Lucibella
除了他在地面部分的角色，Joachimi教授还将与科学家一起研究如何将数据与宇宙的数学模型进行比较。他解释说，一个关键问题是暗物质的分布有多“块状”。对宇宙微波背景辐射(CMB)的分析预测，今天的暗物质应该比目前弱透镜技术发现的更块状。宇宙微波背景辐射是大爆炸后大约38万年穿越宇宙的一束光的残余。也许某种新的物理学恰好使物质变得不那么聚集了。“没有人有一个好的理论来解释它，”Joachimi教授说。“这是一个让我们夜不能寐的大谜团。”
Kitching教授是将汇总统计数据与模型进行比较的科学家团队之一，看看它们是否符合我们目前对宇宙的理解。他和约阿希米教授一样，从欧几里得诞生之初就参与其中。他解释说，对他来说，这次任务最令人印象深刻的方面不是科学，而是人的层面。他说:“这很鼓舞人心，因为来自15个不同国家和文化的人在一起工作了几十年，完成了一项非常非常复杂的实验。”他希望它能成为旨在解决气候变化等问题的国际合作的典范。
新发现和挑战的承诺
克罗珀教授将其工作生涯的大部分时间都用于研究欧几里得，他说他期待着望远镜将带来的惊喜。他说:“在此之前，人们从未如此细致地观察过宇宙。”“每隔10分钟就会有新的东西被发送到地球上。”
奥弗·拉哈夫教授(伦敦大学学院物理与天文学)参与了欧几里得的早期讨论，并发起了伦敦大学学院在几个宇宙学实验中的作用，他说这项任务“将改变我们对宇宙黑暗部分以及星系团和空洞等上层结构形成的理解。”
2019年11月，在比利时空间生活中心进行的振动测试中，VIS仪器的飞行模型正在接受检查。资料来源:CEA (<s:2> <s:2> <s:2> <s:2> <s:2>)
在发射前不久，许多人对望远镜的火箭进入太空感到担忧。包括Cropper教授和Brockley-Blatt在内的几位伦敦大学学院的工程师和科学家计划在佛罗里达附近观看。克罗珀教授说，焦虑程度正在上升。“在通往那里的路上，它经历了一段艰难的旅程。”
基廷教授说，如果发射成功，“一场物理学革命几乎可以肯定。”
2023年7月1日，欧几里得乘坐SpaceX猎鹰9号火箭从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空间站成功发射升空。11天后，它的仪器被打开。宇宙飞船现在已经到达了第二个拉格朗日点，一个距离地球150万公里(100万英里)的稳定悬停点，加入了美国宇航局领导的詹姆斯韦伯太空望远镜和欧洲航天局的盖亚任务:UCL-MSSL也提供了这两个任务的部分内容。
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希望本篇文章《欧几里得太空望远镜将照亮黑暗的宇宙——“一场物理学革命几乎可以保证”》能对你有所帮助！
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