欧几里得空间望远镜：解秘“暗黑”宇宙.pdf

太空探率博览欧几里得空间望远镜艺术想像图欧几里得空间望远镜：解秘“暗黑”宇宙文/梁雷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？5212023.08SPACEEXPLORATION博览太空探索eesaeuclid任务徽标和暗能量？尽管提出了很多假设，但科学家欧几里得空间望远镜运抵发射场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1 0 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3 5%以上。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1 0 0 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古希腊数学家亚历山大欧几里得的解释。可以说，两者都指向了宇宙来命名该空间望远镜，可谓恰如其分。中未知的物理现象。特别是，暗物质那么描绘宇宙形状与寻“暗”又无法用粒子物理学的标准模型来解有什么关系呢？原来，欧空局的普朗释，而暗能量与量子理论似乎也不一克空间天文台在2 0 0 9-2 0 1 3 年间绘致，以致不时有观点认为，“暗物质、制了宇宙微波背景图。当第一张全天暗能量是伪命题”。于是，欧几里得图于2 0 1 3 年3 月发布时，天文学家空间望远镜迎来了“用武之地”们兴奋地称其为“近乎完美的宇宙”。科学家甚至担心欧几里得空间后续研究表明，宇宙由4.9%的普通望远镜“还不够”，美国宇航局预计物质、2 6.8%的暗物质和6 8.3%的暗将在2 0 2 7 年发射南希格雷斯罗能量组成。曼空间望远镜。这台以“哈勃空间望普朗克空间天文台的成功又促使远镜之母”命名的探测器，希望在更科研人员有必要回答：什么是暗物质小的区域内测量纵贯整个宇宙历史的68.3%普通物质4.9%26.8%暗物质暗能量AIRBUS欧几里得空间望远镜发射前测试宇宙的组成SPACEEXPLORATION2023.08153太空探率博览为1.2 米，焦距为2 4.5 米。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3 3 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1 2 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5 5 0 9 0 0 纳米波长范围，平均图像分辨率约为0.2 3 角秒。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9001192纳米、1 1 9 2 1 5 4 4 纳米、15442000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。欧几里得空间望远镜直径1.2 米的主镜星系形状和红移，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。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、电其中，有效载荷模块的核心是1源、热控制以及姿态和轨道控制等。该台能够提供1.2 5 度0.7 2 7 度视场的模块将提供X和K波段通信。在每天4轴上3 镜制冷望远镜，配套热控制系个小时的远程指挥和通信时段内，K波统、精细制导传感器，用于提升观测段的科学数据传输速率约为5 5 兆/秒。效果。主镜处有孔径光阑，入瞳直径为了存储观测积累的大量数据，“欧几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。可见光相机（VIS）5412023.08 SPACEEXPLORATION博览太空探索近红外光谱仪和光度计（NISP）欧几里德空间望远镜探测暗能量里得”拥有至少2.6 TB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3 5 毫角秒。欧几里得空间望远镜正在飞往距离地球约1 5 0 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1 5 0 0 0 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152 0 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2 0 1 2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2 0 2 1 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8 5 0 GB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1 0 0 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。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。责任编辑：夏丹SPACEEXPLORATION2023.08155