窥探“暗黑宇宙”！欧几里得空间望远镜或将剧透宇宙结局

出品：科普中国
作者：梅林
监制：中国科普博览

当地时间7月1日，欧洲空间局的欧几里得空间望远镜在美国卡纳维拉尔角搭乘猎鹰9号火箭升空。这台以几何学之父欧几里得命名的望远镜，在未来为期6年的任务中，将仔细观察将近一半的宇宙空间以及其中的近10亿个星系，只为回答一个问题：宇宙中的暗能量和暗物质是如何分布的？

图1 艺术家想象的欧几里得望远镜
（图片来源：欧洲空间局，CC BY-SA 3.0 IGO）

不过，人们为什么想要探寻这个问题的答案呢？

宇宙命运：物质与能量的对决
人们在观察宇宙时发现了一个不同寻常的现象——宇宙正在加速膨胀，也就是说，离我们越远的星系，远离我们的速度就越快。为了解释这一现象，科学家们假定：宇宙中有我们看不见的暗能量，它的存在导致了目前宇宙的膨胀。
于是，**宇宙中的物质密度和暗能量密度决定了宇宙的终极命运：**如果物质密度无法对抗暗能量密度，宇宙可能就会无限膨胀下去；如果物质密度超过了暗能量密度，那么物质之间的万有引力就会减缓宇宙的膨胀，甚至可能会使宇宙收缩。
在估计了宇宙中的可观测（发光或者反射光的）物质之后，人们发现这些物质的密度太小，不足以对抗宇宙的膨胀。

图2 宇宙命运取决于物质总量能否对抗暗能量。
（图片来源：作者自制）

随着研究的深入，人们发现了一类并不发光或者反射光、却仍具有万有引力的物质。由于这种物质不会发光，所以无法被看到，因此也被叫作暗物质。后来人们才发现，暗物质比可见物质多得多，有可能会使宇宙总物质的密度超过暗能量，从而扭转宇宙的加速膨胀。
所以，想要确定宇宙的终极命运，就必须弄清楚宇宙中到底有多少暗能量和暗物质，而这正是欧几里得望远镜所要回答的问题。
既然它们被称作“暗”能量和“暗”物质，那肯定是无法通过光学方法看到的。所以，我们又该如何测量呢？下面我们就来看看欧几里得望远镜拥有的特别观测技巧。

重子声学振荡：冻结的涟漪
前面我们已经提到，暗能量与宇宙的加速膨胀有关。因此，如果能观测到早期宇宙的膨胀速率，并将其与现今宇宙的膨胀速率进行对比，就可以获得关于宇宙加速膨胀的信息，从而推算出暗能量的分布情况。
可是，我们又没有时光机，如何才能观测到早期宇宙的膨胀呢？幸运的是，宇宙为我们“封冻”住了一份来自早期宇宙的信息，使我们可以立足现在而观测过去，这就是重子声学振荡现象。
想象这样一个场景：在一个池塘里投入一把小石子，每个小石子都会在水面留下一圈波纹。这些波纹会向外传播并互相叠加，而在某一时刻，整个池塘的水瞬间冻结，于是这些波纹被保存了下来，就像这样：
图3 在冻结的波纹上随机取点（左图）并测量它们之间的距离，然后将距离与相应的点的数量画成图（右图），可以发现间距为波纹直径的点数要稍微多一些。
（图片来源：作者自制）

现在我们在这些波纹上随机取许多点，并且研究这些点两两之间的距离，可以发现：相距较近的点所占的比例较高，而相距较远的点数量较少。
但是，这个规律有一个例外：由于这些波纹都是相同的，所以**距离恰好为波纹直径的点数，应该要比规律预测的稍多一些。**我们取越多的点来观察，这一现象就越明显。因此，只要找到这个例外所发生的距离，就可以测量出波纹的直径。
如果把宇宙比作刚才的水池，那么早期宇宙的密度涨落就是扔进去的石子，而由于涨落所引起的物质抛出就是石子引起的波纹，这一现象被称为重子声学振荡。

图4 早期宇宙的密度涨落形成许多波纹，冻结之后，在波纹上形成许多星系。

（图片来源：NASA's Goddard Space Flight Center）

随着宇宙持续冷却，这种波纹被冻结，物质在引力的作用下结合形成一个个星系，就像我们在水波上取的一系列点。因此，我们只要观察大量星系之间的距离，就可以用上述方法找到星系波纹的直径。
可以想象，由于宇宙在不断膨胀，那么早期宇宙（离我们更远的宇宙）的这一波纹直径，肯定要比现在宇宙（离我们较近的宇宙）的波纹直径更小一些。
欧几里得望远镜搭载的NISP系统将观测近10亿个星系，从而找出这一差异，再经过数学推算，就可以得到关于早期宇宙膨胀速度的信息，从而进一步获得暗能量的相关信息。

图5 随着宇宙膨胀，这些波纹的直径也在发生变化，检测这种变化可以获知宇宙膨胀速度的信息，进而推算出暗能量的密度。
（图片来源：NASA's Goddard Space Flight Center）

引力透镜：看不见的折光器
暗能量的探测有着落了，我们再来看看欧几里得望远镜是如何探测暗物质的。
暗物质看不见、摸不着，探测起来也很有难度，但它们仍然具有万有引力相互作用。因此人们想到，只要能够想办法测量到暗物质的引力场，便可以间接测量暗物质了。
然而，这些暗物质离我们非常遥远，它们的引力场传到地球时已经衰减到无法测量了。不过，广义相对论为引力场的测量另辟蹊径，这就是著名的引力透镜效应。
广义相对论认为，引力本身是时空的弯曲程度，当一个星系发出的光经过某一个引力场时，会随着时空一起发生弯折，就像用透镜可以汇聚或者发散光一样，因此星系看上去就会发生一些形变或者位移，这种现象就叫做引力透镜。
引力透镜在著名的1919年爱丁顿实验中得到了证实，当时人们利用日全食的机会观测太阳附近星星的位置，并与太阳不在时这些星星的位置进行比较，成功证实了太阳的引力场确实会使光线发生偏转。

图6 爱丁顿实验中，人们发现本来应该躲在太阳身后的星星居然出现在了其他位置，这证实了广义相对论关于引力场可以弯折光线的预言。
（图片来源：作者自制）

欧几里得望远镜便是采用引力透镜效应来观测暗物质的，它搭载的VIS系统能够在可见光波段观察星系形状的微小变形和光度变化，反推出引起变形的引力场的强度，从而获得暗物质的分布信息。
与以往的类似任务不同的是，欧几里得望远镜将在6年的时间里观察超过10亿个星系，并且仪器的灵敏程度足以检测非常微小的引力透镜效应，它将为我们绘制一幅覆盖度和精准度都很高的暗物质分布图。
图7 欧几里得望远镜将观测大量星系的引力透镜效应，进而绘制出暗物质的分布图像。
（图片来源：维基百科）

以上，我们一起了解了欧几里得望远镜的任务目标及其采用的方法原理。希望有一天，当人们对暗能量和暗物质的研究足够深入后，我们最终能够回答**宇宙命运的终极问题：**宇宙将继续无限地膨胀，或是有一天会压缩，亦或是达到一个既不膨胀也不压缩的平衡呢？
你希望宇宙命运是什么样的呢？在评论区留下你的看法吧~

参考文献：
1.Baryon Acoustic Oscillations. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-s-roman-space-telescope-to-uncover-echoes-of-the-universe-s-creation/
2.The fate of the Universe – where will it end? School physics, Keith Gibbs 2020.
3.What is the Ultimate Fate of the Universe? https://wmap.gsfc.nasa.gov/universe/uni_fate.html
4.Dyson, F. W.; Eddington, A. S.; Davidson C. (1920). "A determination of the deflection of light by the Sun's gravitational field, from observations made at the total eclipse of 29 May 1919". doi:10.1098/rsta.1920.0009
5.Eisenstein, D. J.; et al. (2005). "Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large‐Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies". doi:10.1086/466512