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丈量宇宙幾何:
歐幾里德太空望遠鏡
2023.02.17

林彥興/現就讀清大天文所,EASY 天文地科團隊總編輯。努力在陰溝中仰望繁星。

 

 

暗物質(dark matter)與暗能量(dark energy)的本質是物理界的兩大未解謎團。

物理學家相信它們主宰著宇宙百億年來的演化,卻對它們的真身所知無幾。對此,粒子物理學家建造粒子加速器和形形色色的偵測器,嘗試直接創造或捕捉它們經過時留下的一點蛛絲馬跡;而天文學家則仰望深邃的夜空,嘗試觀察它們對宇宙造成的影響,反推出暗物質與暗能量的性質。預計在 2023 年,歐洲太空總署(ESA)將發射新一代太空望遠鏡「歐幾里德」(Euclid),幫助物理學家探秘宇宙的黑暗面。

 

如何從天文觀測研究暗物質與暗能量?

藉由天文觀測來研究暗物質與暗能量,聽起來好像很厲害,但實際上究竟是怎麼一回事呢?這得從目前天文學家對宇宙的認知開始講起。

宇宙誕生之初的數十萬年間,其溫度、密度、壓力都非常高,而且物質的分布相當均勻,僅有微小的密度起伏。但慢慢的,這些微小的密度差異,在重力的影響下被不斷放大,使得有些地方的密度越來越高,形成星系與星系團;而有些地方的密度則越來越低,形成巨大的空洞,最終長出猶如蜘蛛網般的宇宙大尺度結構(圖一)。

 

▲圖一:宇宙誕生之初,物質的分布相當均勻(左),僅有微小的密度起伏。但在重力的吸引下,原本微小的密度差異會被逐漸放大(中),演化成為蜘蛛網般的大尺度結構(右)。圖片提供/《科學月刊》,圖片來源/Volker Springel, Max-Planck-Institute for Astrophysics

 

這個過程深受暗能量與暗物質的特性影響。不同的暗物質與暗能量理論,會對宇宙膨脹的快慢、大尺度結構的演化、星系的數量等給出不同的預測。而天文學家想做的,就是藉由大量觀測宇宙中星系的分布,反推出宇宙的膨脹歷史和大尺度結構的演化過程,再與理論比較,就能夠知道哪個理論才是正確的。因此,能夠觀測的星系樣本越多,便能看到越遙遠而古老的宇宙,天文學家就可以越精確地了解暗物質與暗能量的性質。

數十年來,天文學家已經建造了許多望遠鏡進行這些工作。比如大名鼎鼎的「史隆數位巡天」(Sloan Digital Sky Survey, SDSS),從 2000 年至今已經累積拍攝了數千萬個星系的龐大資料庫,對宇宙學研究有非常大的貢獻。而歐幾里德太空望遠鏡,將以「弱重力透鏡」(weak lensing)與「重子聲學震盪」(baryon acoustic oscillations, BAO)為主要的科學目標。

弱重力透鏡是什麼呢?大家可能都聽過,物質與能量會扭曲周遭的時空,而光線經過這些彎曲的時空時就會受到偏折,稱為重力透鏡效應(gravitational lensing)。天文學家將重力透鏡效應分成「強重力透鏡」(strong lensing)、「弱重力透鏡」(weaklensing)、「微重力透鏡」(micro lensing)。

強重力透鏡,顧名思義,就是效果很強,肉眼就能輕易辨認的重力透鏡效應。在星系團等大質量天體的重力影響下,背景遙遠星系的影像會被拉扯成細長的弧形,或是分裂成多個影像。而弱重力透鏡效應的原理與強重力透鏡相同,只是天體變形的程度相當微弱,一般而言只有 1% 左右,用肉眼完全看不出來。但是天文學家仍可以利用電腦和統計方法計算出星系的微小變形量,並根據這微小的變形量,回推出背景星系與我們之間的質量分布,這也是目前測量宇宙中暗物質分布最精準的方法(圖二)。至於微重力透鏡,受限於篇幅就不細講了。

 

▲圖二

 

那麼重子聲學震盪又是什麼呢?這比弱重力透鏡還要更複雜。還記得前面提到,在宇宙誕生之初,溫度、密度、壓力都非常的高,且有微小的密度起伏。這些微小的密度起伏,會像滴入水面的雨滴產生漣漪,在炙熱的早期宇宙中傳播。根據計算,這些漣漪傳播出的半徑,約是 150 百萬秒差距。因此,就像 Ia 超新星可以作為「標準燭光」一樣,天文學家可以將這些漣漪當成一把「標準尺」,幫助他們測量宇宙的結構。藉由對弱重力透鏡與重子聲學震盪的觀測,歐幾里德太空望遠鏡將讓我們更精準地測量暗能量與暗物質的性質。

 

歐幾里德的觀測計畫

歐幾里德太空望遠鏡總重 2,200 公斤,屬於一座中型的太空望遠鏡。它的主鏡口徑 1.2 公尺,並配有「可見光成像儀」(the VISible instrument, VIS,圖三)與「近紅外光譜儀與光度計」(nearinfrared spectrometer and photometer, NISP,圖四)兩具儀器。前者負責可見光波段(約 550~900 奈米)的影像拍攝,後者負責近紅外波段(約 900~2,000  奈米)的影像拍攝,並兼有測量光譜的功能。

 

▲圖三:你看過比臉還大的相機感光元件嗎?如果沒有,現在讓你看看歐幾里德的 VIS 相機。其實,多數天文台的感光元件都非常巨大,才能盡可能接收並分析千辛萬苦收集到的光線。圖片提供/《科學月刊》,圖片來源/L.Godart/CEA

 

▲圖四:安裝於歐幾里德太空望遠鏡上的 VIS(左側黑色部分)與 NISP(右上金色部分)。圖片提供/《科學月刊》,圖片來源/Airbus

 

兩臺相機的視野範圍,約在 0.75 度 × 0.75 度左右,其面積約可以塞入將近 3 個滿月。以專業的天文望遠鏡來說,這算是相當大的視野範圍,方便歐幾里德能快速地拍攝大量星系。而想要以弱重力透鏡精準測量宇宙中暗物質的分布,就需要足夠的空間解析度,才能看清星系的微小變形。因此,VIS 與 NISP 的空間解析度分別為 0.1 角秒與 0.3 角秒。0.1 角秒是什麼概念呢?大概就相當於一枚十元硬幣在 50 公里外的大小。解析度 0.1 角秒,也就代表歐幾里德太空望遠鏡擁有可以在 50 公里外,區分兩個十元硬幣的解析力,遠優於多數的地面巡天望遠鏡。

升空之後,歐幾里德首先將花費一個月左右的時間前往日地第二拉格朗日點(L2 Lagrange points),並以半徑約 100 萬公里的軌道環繞之。經過一系列測試之後,它就能正式上工拍攝浩瀚的宇宙。

歐幾里德的觀測分成兩個部分:「廣域巡天」(Wide Survey)與「深度巡天」(Deep Survey)。廣域巡天是歐幾里德科學任務的核心,拍攝範圍將涵蓋全天的三分之一,最暗能夠拍攝到視星等 24.5 等(也就是比肉眼能見的 6 等星再暗 2,500 萬倍)的星系;深度巡天則會選擇 3 個星空中相當黑暗,且已經有大量其他各個波段的天文台觀測過的區域,進行更「深」(也就是拍攝時間更長,能夠拍到更暗的星體)2 個星等的觀測(圖五)。深度巡天不僅能夠幫助校正廣域巡天拍攝的資料,更可以用於尋找與分析更遙遠、黯淡的星系。有了這些大範圍、高解析度的影像,天文學家就能分析其中星系的位置與形狀,從而利用弱重力透鏡和重子聲學震盪,重建宇宙的物質分布、膨脹歷史,最終了解暗物質與暗能量的性質。

 

▲圖五。圖片提供/《科學月刊》,圖片來源/Euclid Consortium/A. Mellinger/Planck Collaboration. Acknowledgment: Euclid Consortium Survey Group

 

宇宙的「黑幕」終將揭曉?

根據 2022 年 1 月的規畫,歐幾里德將在明年由聯盟號(Soyuz)或亞利安六號(Ariane 6)運載火箭發射升空。它將以大視野、高解析度的可見光與近紅外相機,拍攝星系的形狀、分布、光譜,並利用藏於其中的弱重力透鏡與重子聲學震盪訊號,揭開黑暗宇宙的神秘面紗。

 

延伸閱讀

1. Maggie Lieu - The Dark Universe In The Eyes of Euclid, https://www.youtube.com/watch?v=ELFsSOtmZug.

2. Sound Waves from the Beginning of Time, https://www.youtube.com/watch?v=PPpUxoeooZk.

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2022 年 4 月