APP 2023年7月1日，歐空局的歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡搭乘獵鷹9火箭升空。這臺(tái)以古希臘幾何學(xué)之父命名的望遠(yuǎn)鏡由此開(kāi)啟了至少6年的任務(wù)，去探索深空中的暗物質(zhì)和暗能量。那么“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(wù)?為此，它又需要克服哪些挑戰(zhàn)呢?
歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡藝術(shù)想象圖
任務(wù)徽標(biāo)
探索億萬(wàn)星系
歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡是歐空局宇宙愿景計(jì)劃內(nèi)的一項(xiàng)中級(jí)任務(wù)，計(jì)劃測(cè)量超過(guò)10億個(gè)星系的形狀，追尋數(shù)千萬(wàn)個(gè)星系的精確紅移。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)宏偉目標(biāo)，歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡的勘測(cè)范圍將覆蓋天球面積35%以上。
歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡運(yùn)抵發(fā)射場(chǎng)
未來(lái)，它收獲的數(shù)據(jù)將擔(dān)當(dāng)重任，以前所未有的精度確定過(guò)去100億年間宇宙膨脹過(guò)程和宇宙結(jié)構(gòu)演化。形象地比喻，這將幫助天文學(xué)家繪制宇宙的幾何形狀，因此以創(chuàng)立了幾何學(xué)的古希臘數(shù)學(xué)家亞歷山大·歐幾里得來(lái)命名該空間望遠(yuǎn)鏡，可謂恰如其分。
歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射前測(cè)試
那么描繪宇宙形狀與尋“暗”又有什么關(guān)系呢?原來(lái)，歐空局的普朗克空間天文臺(tái)在2009-2013年間繪制了宇宙微波背景圖。當(dāng)?shù)谝粡埲靾D于2013年3月發(fā)布時(shí)，天文學(xué)家們興奮地稱其為“近乎完美的宇宙”后續(xù)研究表明，宇宙由4.9%的普通物質(zhì)、26.8%的暗物質(zhì)和68.3%的暗能量組成。
普朗克空間天文臺(tái)的成功又促使科研人員有必要回答：什么是暗物質(zhì)和暗能量?
盡管提出了很多假設(shè)，但科學(xué)家們尚未能在實(shí)驗(yàn)室中探測(cè)到暗物質(zhì)，也未能對(duì)暗能量的本質(zhì)給出令人信服的解釋。可以說(shuō)，兩者都指向了宇宙中未知的物理現(xiàn)象。特別是，暗物質(zhì)無(wú)法用粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)解釋，而暗能量與量子理論似乎也不一致，以致不時(shí)有觀點(diǎn)認(rèn)為，“暗物質(zhì)暗能量是偽命題”。于是，歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡迎來(lái)了“用武之地”。
宇宙的組成
科學(xué)家甚至擔(dān)心歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡“還不夠”，美國(guó)宇航局預(yù)計(jì)將在2027年發(fā)射南?！じ窭姿埂ち_曼空間望遠(yuǎn)鏡。這臺(tái)以“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡之母”命名的探測(cè)器，希望在更小的區(qū)域內(nèi)測(cè)量縱貫整個(gè)宇宙歷史的星系形狀和紅移，并尋找宇宙超新星事件。屆時(shí)，更高的角分辨率和更大的波長(zhǎng)覆蓋范圍將確保它獲取精確數(shù)據(jù)，幫助科學(xué)家進(jìn)一步研究宇宙尺度上的廣義相對(duì)論和暗能量的本質(zhì)。
可以說(shuō)，“歐幾里得”和“羅曼”的使命是互補(bǔ)的，重疊觀測(cè)結(jié)果可用于相互檢驗(yàn)系統(tǒng)誤差，這也是高精度觀測(cè)宇宙學(xué)中不確定性的主要來(lái)源。兩者協(xié)同工作，有望更深入地勘測(cè)宇宙的奧秘。
來(lái)自深空的凝視
歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射質(zhì)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(yuǎn)鏡、儀器的焦平面組件和一些數(shù)據(jù)處理電子設(shè)備;其二服務(wù)模塊，包含配電、姿態(tài)控制、推進(jìn)遙控、遙測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
其中，有效載荷模塊的核心是1臺(tái)能夠提供1.25度x0.727度視場(chǎng)的軸上3鏡制冷望遠(yuǎn)鏡，配套熱控制系統(tǒng)、精細(xì)制導(dǎo)傳感器，用于提升觀測(cè)效果。主鏡處有孔徑光闌，入瞳直徑為1.2米，焦距為24.5米。
歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡直徑1.2米的主鏡
為了滿足科研要求，如內(nèi)部背景需要遠(yuǎn)低于黃道天空背景，空間望遠(yuǎn)鏡必須在較低的溫度下運(yùn)行，鏡片和支撐結(jié)構(gòu)都采用超穩(wěn)定的碳化硅制成，耐寒極限約為零下33攝氏度。
可見(jiàn)光相機(jī)能夠提供高質(zhì)量圖像，篩選弱透鏡星系。它由12微米像素CCD矩陣組成，并專門針對(duì)“歐幾里得”的任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化，配備了寬帶濾光片，覆蓋550~900納米波長(zhǎng)范圍，平均圖像分辨率約為0.23角秒。
可見(jiàn)光相機(jī)（VIS）
近紅外光譜儀和光度計(jì)用于成像測(cè)量，觀測(cè)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(gè)寬帶濾光片，分別覆蓋900~1192納米、1192~1544納米、1544~2000納米等3個(gè)波長(zhǎng)范圍。光譜通道將配備4個(gè)不同的低分辨率近紅外棱鏡、3個(gè)“紅色”棱鏡和1個(gè)“藍(lán)色”棱鏡，可以執(zhí)行“無(wú)縫”光譜拍攝。
近紅外光譜儀和光度計(jì)（NISP）
至于服務(wù)模塊，承載著運(yùn)行有效載荷所需的大部分子系統(tǒng)，包括遙測(cè)、電源、熱控制以及姿態(tài)和軌道控制等。該模塊將提供X和K波段通信。在每天4個(gè)小時(shí)的遠(yuǎn)程指揮和通信時(shí)段內(nèi)，K波段的科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸速率約為55兆/秒。“歐幾為了存儲(chǔ)觀測(cè)積累的大量數(shù)據(jù)，里得”擁有至少2.6TB的大容量存儲(chǔ)器。為了滿足高精度成像要求，“歐幾里得”具備極其穩(wěn)定的指向性，每次視覺(jué)曝光的色散小于35毫角秒。
歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡正在飛往距離地球約150萬(wàn)千米的日地拉格朗日L2點(diǎn)，大約在升空一個(gè)月后進(jìn)入圍繞該點(diǎn)的大振幅環(huán)繞軌道。那里能夠?yàn)椤皻W幾里得”提供最佳運(yùn)行條件、良性輻射環(huán)境和非常穩(wěn)定的觀測(cè)條件。正因?yàn)槿绱?，威爾金森微波各向異性探測(cè)器、詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡等都在近似軌道上運(yùn)行。
未來(lái)，“歐幾里得”將以“步進(jìn)凝視”模式勘測(cè)深空：主鏡指向某個(gè)方位，并在該方位周圍約0.5平方度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行成像和光譜測(cè)量。在6年的任務(wù)周期中，它的觀測(cè)范圍將逐步覆蓋15000平方度的銀河外太空。
“歐幾里得”每天都會(huì)沿著恒定的黃道經(jīng)度大圓路徑對(duì)相鄰區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，必要時(shí)需要抖動(dòng)來(lái)完善采樣，彌補(bǔ)探測(cè)器的間隙，并確保視野被完全覆蓋。根據(jù)儀器視場(chǎng)的幾何形狀、寬度和每個(gè)視場(chǎng)的積分時(shí)間、曝光時(shí)間，它在評(píng)估研究期間每天可以覆蓋15~20度的區(qū)域。根據(jù)需要，它可以采取深度勘測(cè)、深度調(diào)查等模式，覆蓋不同范圍，探測(cè)不同星等的天體。
“老虎”化解危機(jī)
歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)在2012年6月被歐空局科學(xué)計(jì)劃委員會(huì)選中，但實(shí)施過(guò)程并非一帆風(fēng)順，最大的一次危機(jī)出現(xiàn)在2021年5月下旬。
當(dāng)時(shí)，有效載荷模塊在比利時(shí)列日空間中心室內(nèi)開(kāi)始“冷真空”環(huán)境測(cè)試。在常規(guī)環(huán)境測(cè)試中，近紅外光譜儀和光度計(jì)的表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)異。但在“冷真空環(huán)境測(cè)試中卻發(fā)現(xiàn)，有關(guān)設(shè)備在第一次采集完成后未能及時(shí)啟動(dòng)第二次采集。這相當(dāng)于我們使用一臺(tái)高端數(shù)碼相機(jī)，拍了一張很漂亮的照片后，想再拍一張，相機(jī)的快門卻不再響應(yīng)了。問(wèn)題是，歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡按設(shè)計(jì)每天需傳輸850GB數(shù)據(jù)，顯然不能“拍一次照，重啟一次相機(jī)”。
一時(shí)間，出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)無(wú)法確定，也許是在數(shù)據(jù)傳輸中存在信號(hào)噪聲，或許是來(lái)自其他地方的電磁干擾，甚至是電纜接地不當(dāng)?shù)木壒省檎页鰡?wèn)題根源，科學(xué)家進(jìn)行了第二次“冷真空”測(cè)試，這使得研究日程增加了數(shù)月，推遲了原發(fā)射計(jì)劃。
為了化解這次危機(jī)，歐空局和相關(guān)行業(yè)專家成立“老虎小組”，經(jīng)過(guò)仔細(xì)排查，成功找準(zhǔn)了問(wèn)題所在：軟件錯(cuò)誤，而不是任何物理問(wèn)題。因?yàn)殡娎|配置與之前的測(cè)試相比，發(fā)生了非常微小的變化，改變了從傳感器到計(jì)算機(jī)接口的信號(hào)傳輸時(shí)間。軟件錯(cuò)誤地認(rèn)為，時(shí)間改變是因?yàn)閮x器傳感器的遙測(cè)和遙控接口“出現(xiàn)故障”從而將其關(guān)閉。此外，低溫也導(dǎo)致了十億分之幾秒的延遲現(xiàn)象。最終，科研人員通過(guò)軟件補(bǔ)丁解決了這個(gè)問(wèn)題。
通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，“老虎小組的專家們認(rèn)為：在處理如此復(fù)雜的軟件時(shí)，一定要關(guān)注硬件和軟件之間的接口區(qū)域，做到協(xié)同統(tǒng)一。不同公司或工程師的工作很容易出現(xiàn)誤解，引發(fā)問(wèn)題，這對(duì)于項(xiàng)目協(xié)調(diào)和管理提出了更高的要求。
科研人員精益求精，造就了強(qiáng)悍的載荷模塊和精確的軌道計(jì)算，將支持歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡嘗試對(duì)100億光年之外、橫跨超過(guò)1/3天域的數(shù)十億個(gè)星系進(jìn)行成像。這有望幫助天文學(xué)家測(cè)量宇宙膨脹歷史和宇宙結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)率，進(jìn)一步提供暗物質(zhì)和暗能量的詳細(xì)表征，并在宇宙尺度上測(cè)試廣義相對(duì)論。
歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)暗能量
此外，“歐幾里得”還將開(kāi)展其他宇宙學(xué)研究，比如分析宇宙結(jié)構(gòu)、推導(dǎo)中微子質(zhì)量等，滿足人類更多探索宇宙的好奇心。
