摘要：在六年运行期里，欧几里得天文望远镜（Euclid Space Telescope）的主要任务是巡视1/3的夜空，而它还会反复放大关注夜空中的三片区域（上图黄色高亮处）以拍摄深空的长曝光图像。对这些区域的首次放大观察找到了2600万个星系。图源：ESA/EUCL
在六年运行期里，欧几里得天文望远镜（Euclid Space Telescope）的主要任务是巡视1/3的夜空，而它还会反复放大关注夜空中的三片区域（上图黄色高亮处）以拍摄深空的长曝光图像。对这些区域的首次放大观察找到了2600万个星系。图源：ESA/EUCLID/EUCLID CONSORTIUM/NASA
撰文：Robin George Andrews
一项旨在创造宇宙三位分布图的太空任务最近发布了它的第一批数据宝库。结果撼人心魄：形状不一、大小各异的星系遨游在漆黑一片的宇宙海洋里，奇妙的星光环四处闪烁，超大质量黑洞正在喷发。
这架来自欧洲航天局（European Space Agency）的“欧几里得”天文望远镜（Euclid Space Telescope）背后的团队——怀抱着一个雄心勃勃的目标：了解将宇宙粘结、又将之撕裂的隐藏力量。为了达成这一伟业，欧几里得将在未来六年巡视成百上千亿的星系，科学家将借助它的观察结果来洞悉一种现实结构的无定形本质。
2024年为期仅七天的观察中，欧几里得已经给出了惊人的发现：它找到了2600万个星系以及其他上百种奇异的宇宙现象。“这绝对令人着迷。”天文物理学家、欧空局科学主任卡罗尔·蒙代尔（Carole Mundell）说。
这是欧几里得的首批大型数据交付。科学家一开始仔细研究它所拍摄的图片，就被彻底征服了。“人类的第一反应是它们太美了。它们带我们踏上深空之旅，”蒙代尔说，“然而创造这一成果的是精湛的工程。”
在人工智能的协助下，太空望远镜的精妙科技让科学家得以照亮黑暗的宇宙。
欧几里得的资料将破解那些谜团？
天体物理学中两个最大的问题都关乎占宇宙95%的暗物质和暗能量的性质：它们究竟是什么，为什么会对宇宙产生这样或那样的影响？前者是指一种目前尚无法探测的物质形式，它让星系及其中的星星紧密结合在一起，这一点仅靠引力是无法实现的。后者是一种使宇宙加速膨胀的不可见的力量。不过近年宇宙观测显示，暗能量可能正随时间推移而式微。
科学家（目前）还不能直接探测到暗物质或暗能量，因此他们正在钻研次一等重要的事：研究宇宙众多星系的性状、运动和位置，从而绘制出宇宙的形状。
欧几里得的目标是绘制出它所发现的星系的性状、大小和位置分布。如此得到的星系图将帮助科学家揭示所谓的宇宙网——将一团团星系联系在一起的丝状物质巨网——的真实面貌。图源：ESA/EUCLID/EUCLID CONSORTIUM/NASA
这就是欧洲太空望远镜“欧几里得”的伟大目标。它以被奉为“几何之父”的古希腊数学家命名，恰如其分。它于2023年发射升空，静栖在一片距离地球160万公里的太空引力稳定区。在那里，它将最终研究整个天空的三分之一，同时反复放大三片被称为“欧几里得深场”（Euclid Deep Fields）的特定区域，结果找到了数十亿个星系。
“每个星系都十分美丽，”亚当·阿马拉（Adam Amara）说，“但我们设计欧几里得不是为了拍摄漂亮照片。我们设计它，是为了进行艰苦的科研。”
理想情况下，天文望远镜具有宽视场（以便看到大片天空）、高分辨率（因此摄影作品中充满精微细节）和高灵敏度的特性，因此哪怕是最微弱、最遥远的星光也能被它们发现。“我们通常可以从三个特性中选择两个。而‘欧几里得’是有史以来首个三项全占的望远镜，”蒙代尔说，”我认为它真正展现了望远镜的强大。”
黑暗宇宙工具箱
欧几里得的星系搜寻能力来自三样工具。首先是直径近1.2米的望远镜，镜面可以捕获遥远星光，然后通过一个棱镜式滤光器将光线分成可见光和红外光，再传递到两个专门设备上。
其一是VISible仪器，这是一台拥有600万像素分辨率（是现在许多智能手机的50倍）的高灵敏度相机。由于视野极为宽阔且能够对深空进行长曝光，它可以捕捉到相当远距离的数十亿星系，清晰呈现它们的形状和特质。
“欧几里得拍摄的天空已经是哈勃25年来拍摄的好几倍。”天文学机器学习研究员、欧几里得望远镜联合会科学家麦克·沃姆斯利（Mike Walmsley）说。沃姆斯利目前在加拿大多伦多大学任职。
其二是近红外光谱仪和光度计——这是另一台可以捕获红外光并测量星系到地球距离等种种数据的超灵敏相机。科学家希望在获取更多数据后，能在欧几里得可见光图像上叠加生成宇宙三位分布图。
“正是这两样仪器结合在一起，才使我们能够探测暗能量。”物理学家、欧空局欧几里得项目科学家瓦莱里娅·佩托里诺（Valeria Pettorino）说。
宇宙已有138亿年的历史。欧几里得的科技妙法使之能看到早在105亿年前形成的星系。那意味着“欧几里得不仅是一名黑暗宇宙侦探，同时还是一台时间机器。”蒙代尔说。
放大欧几里得深场的一个图像，图上展现了猫眼星云（Cat's Eye Nebula），即NGC 6543星云。它在一片星系与星辰的大海中闪耀。这团星云包含一颗行将死亡的恒星，距离地球约有3000光年。图源：ESA/EUCLID/EUCLID CONSORTIUM/NASA
欧几里得找到了哪些星系？
在欧几里得记录下的几百万星系中，有一系列遥远的类星体——这些星系的超质量黑洞核心发出令人目眩的光芒。“欧几里得的图像非常清晰，比从地面上拍摄的要清晰五倍，让我们对这些星系有了全新的认识。”沃姆斯利说。
欧几里得数据中另一项为宇宙学家所关注的现象是引力透镜。有时，当一个大质量物体——例如一个含大量暗物质的星系——位于另一个更远星系的前方，后者的光就会在前景星系周围弯曲，就像被透镜聚焦一样。
这个过程被称为引力透镜效应，它可以让我们看清原本无法得见的遥远星系，要不是借助这一作用，连欧几里得这样的天文望远镜也无法捕获它们。罕见情况下，围绕前景星系弯曲的古老星光还能形成强引力透镜。
在欧几里得望远镜之前，经过几十年的夜空现代观测，天文学家已经找到了大约1000个强引力透镜。“短短几天，欧几里得就找到了500个与之一样的现象，”阿马拉说，“实在令人震惊。”
在2023年9月的测试阶段，欧几里得望远镜拍到了这幅NGC 6505号星系的尊荣。进一步调查显示，这台望远镜捕捉到了一个被称为“爱因斯坦环”的强引力透镜。图源：ESA/EUCLID/EUCLID CONSORTIUM/NASA
在爱因斯坦环的特写镜头中，距离我们44.2亿光年的星系发出的光在NGC 6505星系周围形成了一个光圈，后者与我们相距仅5.9亿光年。图源：ESA/EUCLID/EUCLID CONSORTIUM/NASA
欧几里得拍摄到的NGC 6505星系照片捕捉了一例被称为爱因斯坦环的强透镜现象，在这种作用下，遥远天体周围形成了一个光圈。这些强引力透镜被认为是了解暗物质的绝佳方式，因为光的弯曲可以提示，位处前方的星系含有多少目前尚不可测的暗物质。
阿马拉预计，在接下来的六年里，它将找到数十万个强引力透镜和许多弱引力透镜。
利用AI巡航星系海洋
绚烂天体的庞大数量让欧几里得团队震撼不已。“当我们从对那些奇迹和魔法的惊叹与敬畏中平复下来，我们开始思考：一个天文物理学家不可能一一探查几百万、几千亿个星系，”蒙代尔说，“那就是AI登场的地方了。”
人工智能项目非常擅长辨识图形。一个名叫“ZooBot”的程序已被部署帮助欧几里得科学家为星系分类。最近，大约1万名志愿者拿到星系图像，被要求将它们按照性状和特征分入不同文件夹。然后，ZooBot就在这些数据的基础上接受训练，继而在梳理欧几里得一周的观察结果时大显身手。
“要将欧几里得新图片集中的每一个足够清晰的星系全部检查一遍，大概得要150年的时间。”沃姆斯利说。而ZooBot凭借闪电般的处理速度，已经根据星系形状、大小和特征对38万个星系进行了分类。
许多新的成果即将面世，欧几里得已经在继续交付了。“我们每天都会收到100千兆字节以上的数据，”佩托里诺说，“到2026年底，我们将发布一年的观测结果，那将超过2拍字节，相当于在最好的视频流媒体上收看31年电视的总流量。”
作家道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）曾留下这样一句名言：“太空很宽广。实在太宽广了。你根本没法相信它广袤无垠、漫无边际、令人张口结舌地宽广到了什么程度。”（——姚向辉译）这句话仍然正确。但欧几里得正在把这片无边的世界变成一幅充满星系的鲜彩画卷。
“天空是有限的，”阿马拉说，“而我们正开始为它的每一个地方填上答案。”
来源：国家地理中文网一点号