为了探索暗物质和暗能量，欧几里得空间望远镜“练就”了哪些绝技？

2023年7月1日，欧空局的欧几里得空间望远镜搭乘猎鹰9火箭升空。这台以古希腊几何学之父命名的望远镜由此开启了至少6年的任务，去探索深空中的暗物质和暗能量。那么“欧几里得”为何要去宇宙寻“暗”?它拥有哪些绝技，帮助完成任务?为此，它又需要克服哪些挑战呢?

欧几里得空间望远镜艺术想象图

任务徽标

探索亿万星系

欧几里得空间望远镜是欧空局宇宙愿景计划内的一项中级任务，计划测量超过10亿个星系的形状，追寻数千万个星系的精确红移。为了实现这个宏伟目标，欧几里得空间望远镜的勘测范围将覆盖天球面积35%以上。

欧几里得空间望远镜运抵发射场

未来，它收获的数据将担当重任，以前所未有的精度确定过去100亿年间宇宙膨胀过程和宇宙结构演化。形象地比喻，这将帮助天文学家绘制宇宙的几何形状，因此以创立了几何学的古希腊数学家亚历山大·欧几里得来命名该空间望远镜，可谓恰如其分。

欧几里得空间望远镜发射前测试

那么描绘宇宙形状与寻“暗”又有什么关系呢?原来，欧空局的普朗克空间天文台在2009-2013年间绘制了宇宙微波背景图。当第一张全天图于2013年3月发布时，天文学家们兴奋地称其为“近乎完美的宇宙”后续研究表明，宇宙由4.9%的普通物质、26.8%的暗物质和68.3%的暗能量组成。

普朗克空间天文台的成功又促使科研人员有必要回答：什么是暗物质和暗能量?

尽管提出了很多假设，但科学家们尚未能在实验室中探测到暗物质，也未能对暗能量的本质给出令人信服的解释。可以说，两者都指向了宇宙中未知的物理现象。特别是，暗物质无法用粒子物理学的标准模型来解释，而暗能量与量子理论似乎也不一致，以致不时有观点认为，“暗物质暗能量是伪命题”。于是，欧几里得空间望远镜迎来了“用武之地”。

宇宙的组成

科学家甚至担心欧几里得空间望远镜“还不够”，美国宇航局预计将在2027年发射南希·格雷斯·罗曼空间望远镜。这台以“哈勃空间望远镜之母”命名的探测器，希望在更小的区域内测量纵贯整个宇宙历史的星系形状和红移，并寻找宇宙超新星事件。届时，更高的角分辨率和更大的波长覆盖范围将确保它获取精确数据，帮助科学家进一步研究宇宙尺度上的广义相对论和暗能量的本质。

可以说，“欧几里得”和“罗曼”的使命是互补的，重叠观测结果可用于相互检验系统误差，这也是高精度观测宇宙学中不确定性的主要来源。两者协同工作，有望更深入地勘测宇宙的奥秘。

来自深空的凝视

欧几里得空间望远镜的发射质量约为2.1吨，高约4.5米，直径约3.1米由两大主要组件组成：其一，有效载荷模块，包括望远镜、仪器的焦平面组件和一些数据处理电子设备;其二服务模块，包含配电、姿态控制、推进遥控、遥测和数据处理系统。

其中，有效载荷模块的核心是1台能够提供1.25度x0.727度视场的轴上3镜制冷望远镜，配套热控制系统、精细制导传感器，用于提升观测效果。主镜处有孔径光阑，入瞳直径为1.2米，焦距为24.5米。

欧几里得空间望远镜直径1.2米的主镜

为了满足科研要求，如内部背景需要远低于黄道天空背景，空间望远镜必须在较低的温度下运行，镜片和支撑结构都采用超稳定的碳化硅制成，耐寒极限约为零下33摄氏度。

可见光相机能够提供高质量图像，筛选弱透镜星系。它由12微米像素CCD矩阵组成，并专门针对“欧几里得”的任务进行了优化，配备了宽带滤光片，覆盖550~900纳米波长范围，平均图像分辨率约为0.23角秒。

可见光相机（VIS）

近红外光谱仪和光度计用于成像测量，观测红移信息，拥有0.3角秒宽的像素。其中，光度通道将配备3个宽带滤光片，分别覆盖900~1192纳米、1192~1544纳米、1544~2000纳米等3个波长范围。光谱通道将配备4个不同的低分辨率近红外棱镜、3个“红色”棱镜和1个“蓝色”棱镜，可以执行“无缝”光谱拍摄。

近红外光谱仪和光度计（NISP）

至于服务模块，承载着运行有效载荷所需的大部分子系统，包括遥测、电源、热控制以及姿态和轨道控制等。该模块将提供X和K波段通信。在每天4个小时的远程指挥和通信时段内，K波段的科学数据传输速率约为55兆/秒。“欧几为了存储观测积累的大量数据，里得”拥有至少2.6TB的大容量存储器。为了满足高精度成像要求，“欧几里得”具备极其稳定的指向性，每次视觉曝光的色散小于35毫角秒。

欧几里得空间望远镜正在飞往距离地球约150万千米的日地拉格朗日L2点，大约在升空一个月后进入围绕该点的大振幅环绕轨道。那里能够为“欧几里得”提供最佳运行条件、良性辐射环境和非常稳定的观测条件。正因为如此，威尔金森微波各向异性探测器、詹姆斯·韦伯空间望远镜等都在近似轨道上运行。

未来，“欧几里得”将以“步进凝视”模式勘测深空：主镜指向某个方位，并在该方位周围约0.5平方度区域内进行成像和光谱测量。在6年的任务周期中，它的观测范围将逐步覆盖15000平方度的银河外太空。

“欧几里得”每天都会沿着恒定的黄道经度大圆路径对相邻区域进行观测，必要时需要抖动来完善采样，弥补探测器的间隙，并确保视野被完全覆盖。根据仪器视场的几何形状、宽度和每个视场的积分时间、曝光时间，它在评估研究期间每天可以覆盖15~20度的区域。根据需要，它可以采取深度勘测、深度调查等模式，覆盖不同范围，探测不同星等的天体。

“老虎”化解危机

欧几里得空间望远镜任务在2012年6月被欧空局科学计划委员会选中，但实施过程并非一帆风顺，最大的一次危机出现在2021年5月下旬。

当时，有效载荷模块在比利时列日空间中心室内开始“冷真空”环境测试。在常规环境测试中，近红外光谱仪和光度计的表现相当优异。但在“冷真空环境测试中却发现，有关设备在第一次采集完成后未能及时启动第二次采集。这相当于我们使用一台高端数码相机，拍了一张很漂亮的照片后，想再拍一张，相机的快门却不再响应了。问题是，欧几里得空间望远镜按设计每天需传输850GB数据，显然不能“拍一次照，重启一次相机”。

一时间，出现问题的环节无法确定，也许是在数据传输中存在信号噪声，或许是来自其他地方的电磁干扰，甚至是电缆接地不当的缘故。为找出问题根源，科学家进行了第二次“冷真空”测试，这使得研究日程增加了数月，推迟了原发射计划。

为了化解这次危机，欧空局和相关行业专家成立“老虎小组”，经过仔细排查，成功找准了问题所在：软件错误，而不是任何物理问题。因为电缆配置与之前的测试相比，发生了非常微小的变化，改变了从传感器到计算机接口的信号传输时间。软件错误地认为，时间改变是因为仪器传感器的遥测和遥控接口“出现故障”从而将其关闭。此外，低温也导致了十亿分之几秒的延迟现象。最终，科研人员通过软件补丁解决了这个问题。

通过总结经验教训，“老虎小组的专家们认为：在处理如此复杂的软件时，一定要关注硬件和软件之间的接口区域，做到协同统一。不同公司或工程师的工作很容易出现误解，引发问题，这对于项目协调和管理提出了更高的要求。

科研人员精益求精，造就了强悍的载荷模块和精确的轨道计算，将支持欧几里得空间望远镜尝试对100亿光年之外、横跨超过1/3天域的数十亿个星系进行成像。这有望帮助天文学家测量宇宙膨胀历史和宇宙结构增长率，进一步提供暗物质和暗能量的详细表征，并在宇宙尺度上测试广义相对论。

欧几里得空间望远镜探测暗能量

此外，“欧几里得”还将开展其他宇宙学研究，比如分析宇宙结构、推导中微子质量等，满足人类更多探索宇宙的好奇心。