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