超过9亿个星系的观测记录、相当于9500个满月视面积的天空覆盖范围、总量达1.7PB(相当于170万GB)的数据体量,欧洲航天局公布了其“欧几里得”空间望远镜的首批大规模巡天成果。
这批资料汇集了望远镜约13个月的观测积累,于当地时间周四正式对外发布。科学界期待,它们能为破解暗物质和暗能量这两个长期悬而未决的谜题提供关键线索。
按照规划,欧几里得望远镜要在2031年之前完成一项前所未有的工程——绘制史上规模最大的宇宙三维地图,覆盖范围超过整个天区的三分之一。此次公布的数据,便出自这项仍在推进中的浩大工程。
欧洲航天局欧几里得项目科学家、天体物理学家瓦莱里娅·佩托里诺称,对任务本身以及所有参与者而言,这一节点意义非凡。
这架望远镜于2023年在美国佛罗里达州升空,如今一边记录宇宙膨胀的过程和结构随时间的演变,一边收集与暗能量、暗物质本质以及引力在大尺度结构中所起作用相关的信息。
佩托里诺介绍,欧几里得的工作方式与普通巡天不同:它不光给星系拍摄二维图像,还要测出每个星系离我们有多远。距离一经确定,第三个维度便随之而来。研究人员由此可以确定星系在空间和时间中的坐标,回溯约100亿年的宇宙演变历程,并把银河系平面之外各个方向的天区尽收眼底。
在更大的尺度上,星系并非均匀散布,而是沿着丝状结构成群结队,丝状结构之间则是大片近乎空无一物的空洞。这些元素彼此相连,构成一张被天文学家称作“宇宙网”的巨大网络。
佩托里诺指出,欧几里得的任务之一就是重建这张宇宙网,并追踪它在漫长岁月中的变化。这张网长什么样、其中星系团和空洞各有多少、它们的增长或消散速度有多快,全都与暗能量和暗物质的性质息息相关。
从构成上看,宇宙由三部分拼成:恒星、行星、气体、尘埃以及地球上人们熟悉的一切,同属普通物质,仅占约5%;无法被直接观测、只能依靠它在星系尺度上的引力效应间接确认的暗物质,约占27%;被认为是宇宙加速膨胀幕后推手的暗能量,占比高达68%。
麻烦在于,暗物质和暗能量既不发光,也不吸收光,任何常规观测手段都捕捉不到它们的身影。
在此之前的几次数据发布,都只基于几天的观测。相比之下,本次公开的记录绵延一年以上,不过放到整个任务周期里看,它也仅占六年巡天计划中可见光和近红外波段目标天区面积的14%。
研究团队透露,明年还会有新数据加入进来,届时首批针对暗能量和暗物质的研究结果也将一并亮相。
引力透镜是这批数据的一大看点。来自遥远星系的光在奔向地球的途中,会途经前景中的普通物质和暗物质,引力使其路径发生弯折、图像随之变形,这一现象被称作引力透镜效应。通俗地讲,就是前方星系的引力“掰弯”了后方星系发出的光。
在天文学家手中,引力透镜是摸清暗物质分布的利器。本次发布的数据中,强引力透镜候选体约有1.5万个,比过去半个多世纪人类找到的总数还要多。
英国朴次茅斯大学天体物理学博士生、欧几里得科学家联盟成员娜塔莉·莱恩斯把引力透镜比作“大自然自带的称重工具”。她说,光线被弯折的幅度,直接反映出一个星系拥有多少物质,看不见的暗物质也包括在内。把成千上万个透镜放在一起研究,就能掌握暗物质在星系内的分布规律,进而还原星系在漫长宇宙历史中的形成与演化轨迹。
莱恩斯还谈到欧几里得在大范围巡天中的成像质量。她解释,架在地面上的望远镜可以扫视很大的天区,却受制于大气扰动,拍出的图像常常发虚;哈勃和韦布这类空间望远镜画质一流,视野却往往局限于天空一隅。欧几里得把“广”和“清晰”同时收入囊中,而要捕捉强引力透镜这类既稀少又不起眼的目标,这种能力恰恰不可或缺。
由于光速有限,遥远天体发出的光要在路上奔波很久才能抵达地球,望得越远,看到的宇宙就越古老。
在欧几里得目前锁定的目标中,距离最远的是类星体,由超大质量黑洞提供能量的星系明亮核心,亮度极高。望远镜已经精确定位了约6000万个这样的天体。
莱恩斯提到,其中一些类星体诞生于宇宙年龄只有如今5%的年代。换句话说,人类今天接收到的它们的星光,早在约130亿年前便已启程。