絕技尋“暗”，“歐幾里得”探索百億光年之外星系_風聞

來源：中國航天報

7月1日，歐空局的歐幾里得空間望遠鏡搭乘獵鷹9火箭升空。這台以古希臘幾何學之父命名的望遠鏡由此開啓了至少6年的任務，去探索深空中的暗物質和暗能量。那麼“歐幾里得”為何要去宇宙尋“暗”？它擁有哪些絕技，幫助完成任務？為此，它又需要克服哪些挑戰呢？

不懈揭秘“暗黑”宇宙

歐幾里得空間望遠鏡是歐空局宇宙願景計劃內的一項中級任務，計劃測量超過10億個星系的形狀，追尋數千萬個星系的精確紅移。為了實現這個宏偉目標，歐幾里得空間望遠鏡的勘測範圍將覆蓋天球面積35%以上。

未來，它收穫的數據將擔當重任，以前所未有的精度確定過去100億年間宇宙膨脹過程和宇宙結構演化。形象地比喻，這將幫助天文學家繪製宇宙的幾何形狀，因此以創立了幾何學的古希臘數學家亞歷山大·歐幾里得來命名該空間望遠鏡，可謂恰如其分。

歐幾里得空間望遠鏡發射前測試

那麼描繪宇宙形狀與尋“暗”又有什麼關係呢？原來，歐空局的普朗克空間天文台在2009～2013年間繪製了宇宙微波背景圖。當第一張全天圖於2013年3月發佈時，天文學家們興奮地稱其為“近乎完美的宇宙”。後續研究表明，宇宙由4.9%的普通物質、26.8%的暗物質和68.3%的暗能量組成。

普朗克空間天文台的成功又促使科研人員有必要回答：什麼是暗物質和暗能量？

儘管提出了很多假設，但科學家們尚未能在實驗室中探測到暗物質，也未能對暗能量的本質給出令人信服的解釋。可以説，兩者都指向了宇宙中未知的物理現象。特別是，暗物質無法用粒子物理學的標準模型來解釋，而暗能量與量子理論似乎也不一致，以致不時有觀點認為，“暗物質、暗能量是偽命題”。於是，歐幾里得空間望遠鏡迎來了“用武之地”。

科學家甚至擔心歐幾里得空間望遠鏡“還不夠”，美國宇航局預計將在2027年發射南希·格雷斯·羅曼空間望遠鏡。這台以“哈勃空間望遠鏡之母”命名的探測器，希望在更小的區域內測量縱貫整個宇宙歷史的星系形狀和紅移，並尋找宇宙超新星事件。屆時，更高的角分辨率和更大的波長覆蓋範圍將確保它獲取精確數據，幫助科學家進一步研究宇宙尺度上的廣義相對論和暗能量的本質。

可以説，“歐幾里得”和“羅曼”的使命是互補的，重疊觀測結果可用於相互檢驗系統誤差，這也是高精度觀測宇宙學中不確定性的主要來源。兩者協同工作，有望更深入地勘測宇宙的奧秘。

先進技術助力尋“暗”

歐幾里得空間望遠鏡的發射質量約為2.1噸，高約4.5米，直徑約3.1米，由兩大主要組件組成：其一，有效載荷模塊，包括望遠鏡、儀器的焦平面組件和一些數據處理電子設備；其二，服務模塊，包含配電、姿態控制、推進、遙控、遙測和數據處理系統。

從另一個角度看測試中的“歐幾里得”

其中，有效載荷模塊的核心是1台能夠提供1.25度×0.727度視場的軸上3鏡製冷望遠鏡，配套熱控制系統、精細制導傳感器，用於提升觀測效果。主鏡處有孔徑光闌，入瞳直徑為1.2米，焦距為24.5米。

為了滿足科研要求，如內部背景需要遠低於黃道天空背景，空間望遠鏡必須在較低的温度下運行，鏡片和支撐結構都採用超穩定的碳化硅製成，耐寒極限約為零下33攝氏度。

可見光儀器能夠提供高質量圖像，篩選弱透鏡星系。它由12微米像素CCD矩陣組成，並專門針對“歐幾里得”的任務進行了優化，配備了寬帶濾光片，覆蓋550～900納米波長範圍，平均圖像分辨率約為0.23角秒。

近紅外光譜儀和光度計用於成像測量，觀測紅移信息，擁有0.3角秒寬的像素。其中，光度通道將配備3個寬帶濾光片，分別覆蓋900～1192納米、1192～1544納米、1544～2000納米等3個波長範圍。光譜通道將配備4個不同的低分辨率近紅外稜鏡、3個“紅色”稜鏡和1個“藍色”稜鏡，可以執行“無縫”光譜拍攝。

至於服務模塊，承載着運行有效載荷所需的大部分子系統，包括遙測、電源、熱控制以及姿態和軌道控制等。該模塊將提供X和K波段通信。在每天4個小時的遠程指揮和通信時段內，K波段的科學數據傳輸速率約為55兆/秒。為了存儲觀測積累的大量數據，“歐幾里得”擁有至少2.6TB的大容量存儲器。為了滿足高精度成像要求，“歐幾里得”具備極其穩定的指向性，每次視覺曝光的色散小於35毫角秒。

歐幾里得空間望遠鏡正在飛往距離地球約150萬公里的日地拉格朗日L2點，大約在升空一個月後進入圍繞該點的大振幅環繞軌道。那裏能夠為“歐幾里得”提供最佳運行條件、良性輻射環境和非常穩定的觀測條件。正因如此，威爾金森微波各向異性探測器、詹姆斯·韋伯空間望遠鏡等都在近似軌道上運行。

未來，“歐幾里得”將以“步進凝視”模式勘測深空：主鏡指向某個方位，並在該方位周圍約0.5平方度區域內進行成像和光譜測量。在6年的任務週期中，它的觀測範圍將逐步覆蓋15000平方度的銀河外太空。

“歐幾里得”每天都會沿着恆定的黃道經度大圓路徑對相鄰區域進行觀測，必要時需要抖動來完善採樣，彌補探測器的間隙，並確保視野被完全覆蓋。根據儀器視場的幾何形狀、寬度和每個視場的積分時間、曝光時間，它在評估研究期間每天可以覆蓋15～20度的區域。根據需要，它可以採取深度勘測、深度調查等模式，覆蓋不同範圍，探測不同星等的天體。

“老虎”發威化解危機

歐幾里得空間望遠鏡任務在2012年6月被歐空局科學計劃委員會選中，但實施過程並非一帆風順，最大的一次危機出現在2021年5月下旬。

當時，有效載荷模塊在比利時列日空間中心室內開始“冷真空”環境測試。在常規環境測試中，近紅外光譜儀和光度計的表現相當優異。但在“冷真空”環境測試中卻發現，有關設備在第一次採集完成後未能及時啓動第二次採集。這相當於我們使用一台高端數碼相機，拍了一張很漂亮的照片後，想再拍一張，相機的快門卻不再響應了。問題是，歐幾里得空間望遠鏡按設計每天需傳輸850GB數據，顯然不能“拍一次照，重啓一次相機”。

“歐幾里得”在太空中工作想象圖

一時間，出現問題的環節無法確定，也許是在數據傳輸中存在信號噪聲，或許是來自其他地方的電磁干擾，甚至是電纜接地不當的緣故。為找出問題根源，科學家進行了第二次“冷真空”測試，這使得研究日程增加了數月，推遲了原發射計劃。

為了化解這次危機，歐空局和相關行業專家成立“老虎小組”，經過仔細排查，成功找準了問題所在：軟件錯誤，而不是任何物理問題。因為電纜配置與之前的測試相比，發生了非常微小的變化，改變了從傳感器到計算機接口的信號傳輸時間。軟件錯誤地認為，時間改變是因為儀器傳感器的遙測和遙控接口“出現故障”，從而將其關閉。此外，低温也導致了十億分之幾秒的延遲現象。最終，科研人員通過軟件補丁解決了這個問題。

通過總結經驗教訓，“老虎小組”的專家們認為：在處理如此複雜的軟件時，一定要關注硬件和軟件之間的接口區域，做到協同統一。不同公司或工程師的工作很容易出現誤解，引發問題，這對於項目協調和管理提出了更高的要求。

科研人員精益求精，造就了強悍的載荷模塊和精確的軌道計算，將支持歐幾里得空間望遠鏡嘗試對100億光年之外、橫跨超過1/3天域的數十億個星系進行成像。這有望幫助天文學家測量宇宙膨脹歷史和宇宙結構增長率，進一步提供暗物質和暗能量的詳細表徵，並在宇宙尺度上測試廣義相對論。

此外，“歐幾里得”還將開展其他宇宙學研究，比如分析宇宙結構、推導中微子質量等，滿足人類更多探索宇宙的好奇心。