探索宇宙膨胀的奥秘

发布者：隔水望伊人 2024-10-10 10:14

在新发射的欧几里得任务的帮助下，科学家们可能很快就会对宇宙中一些最神秘的现象有新的见解。欧几里得任务由欧洲航天局建造和管理，它将使用部分由美国国家航空航天局喷气推进实验室开发的一系列仪器，来探索暗能量和暗物质的奇特性质以及它们在宇宙膨胀和加速过程中所起的作用。

请继续阅读以了解欧几里得任务将如何探究这些宇宙学奥秘。然后，了解如何利用演示和模型来帮助学习者理解这些重大概念。

为什么它很重要？

在宇宙中，没有什么问题比宇宙起源更能激发科学家和非科学家的好奇心了。欧几里得任务将使科学家能够研究那些几乎难以察觉的宇宙组成部分，而这些部分可能会为这个问题提供令人兴奋的答案。

埃德温・哈勃（Edwin Hubble）在1920 年对宇宙膨胀的观测标志着大爆炸理论的开端。自那以后，我们分别在 1989 年和 2001 年通过使用宇宙背景探测器（COBE）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）等仪器观测所谓的宇宙背景辐射，在确定大爆炸发生的时间和方式方面取得了巨大的进展。然而，哈勃的发现中有一点仍然让科学家们困惑不已：我们的宇宙不仅在膨胀，而且正如科学家们在 1998 年发现的那样，这种膨胀还在加速。

这怎么可能呢？凭直觉来说，不管 138 亿年前引发所有物质在已知宇宙中扩散的大爆炸力量有多么巨大，这些物质最终都会静止下来，甚至可能开始坍缩。然而，实际情况就好像我们把一个玻璃杯扔到地上，却发现碎片正以越来越快的速度永远飞离我们。

科学家们认为，答案可能存在于宇宙中两个尚未被理解的因素之中：暗物质和暗能量。暗物质不同于我们在地球上所接触到的已知物质，例如元素周期表中的物质。实际上我们看不到暗物质，只能推断它的存在。它有质量，因此具有引力，这使它成为一种能够将物体聚集在一起的引力。令人惊讶的是，暗物质约占已知宇宙的 27%，相比之下，我们日常所接触到的 “普通物质” 仅占 5%，比例小得多。然而，暗物质在宇宙中极其稀薄，每立方米仅有 105 个粒子的浓度。

与暗物质的引力相反，我们有暗能量。暗能量是一种排斥力，约占已知宇宙能量的 68%。科学家们认为，暗能量的存在以及它相对于暗物质所表现出的排斥力大小，正是导致我们的宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度越来越快的原因。

但要真正理解这种神秘的力量，以及它如何与暗物质和普通物质相互作用，科学家将不得不绘制出穿越宇宙的光那几乎难以探测到的扭曲情况，仔细测量光在各个方向上如何随时间和距离而变化。正如喷气推进实验室（JPL）的天体物理学家贾森・罗兹所解释的那样：“暗能量的影响非常微妙，我们需要勘测数十亿个星系才能充分绘制出它的情况。”

这就是欧几里得（Euclid）计划的用武之地。

工作原理

欧洲航天局（ESA）和美国国家航空航天局（NASA）都为欧几里得任务的开展做出了贡献。该任务于 7 月 1 日从佛罗里达州的卡纳维拉尔角太空部队基地发射升空。该航天器包括一台 1.2 米（48 英寸）的太空望远镜和两台科学仪器：一台光学相机和一台兼作光谱仪的近红外相机。这些仪器将为众多学科的科学家提供大量的数据，从系外行星搜寻者到宇宙学家都能从中受益。

正如空间望远镜科学研究所的吉塞拉・德罗萨（Gisella de Rosa）所解释的那样：“我们将能够利用欧几里得研究的辅助科学课题，从我们今天在天空中看到的物体的演化，到探测星系群并为天文学家创建星表，无所不包。这些数据将服务于整个航天界。”

欧几里得上搭载的相机将在 530 - 920 纳米（可见光）和 920 - 2020 纳米（近红外光）波段工作，分别拥有超过 5.76 亿像素和 6500 万像素。这些相机能够测量从天体收集到的光的细微变化，并能够确定在对 15000 平方度（占整个天空的三分之一）的勘测中数十亿个星系的距离。

同时，欧几里得的光谱仪将通过观测红移来收集数千万个星系距离的更详细数据。红移描述的是当物体远离我们时，光的波长如何发生极其微小的变化。它是测量我们宇宙膨胀速度的一个关键现象。就像声波因多普勒效应而发生变化一样，当物体靠近你时，光的波长被压缩为更短的波长（更蓝），当物体远离你时，波长被拉长为更长的波长（更红）。正如一个获得诺贝尔奖的天文学家团队所确定的那样，我们的宇宙不仅随着时间发生红移，而且遥远的物体变红的速度更快。

欧几里得将测量远近物体波长中这些极其微小的变化，准确测量光如何随时间和距离而发生变化，从而得出宇宙的加速度。此外，欧几里得将能够绘制出暗物质和普通物质在与暗能量相互作用时的相对密度，从而形成吸引力分布不均的区域。这将使科学家能够通过观察光被改变（或 “透镜效应”）的方式来识别宇宙中哪些地方在膨胀方面存在微小差异。

欧几里得创建的多维地图 —— 除了天空的高度和宽度之外，还将包括深度和时间 —— 将为美国国家航空航天局已经在研发的一个补充任务，即南希・格蕾丝・罗曼太空望远镜提供信息。该太空望远镜将于 2026 年发射升空，它将以更精细的细节回溯时间，测量欧几里得任务未涉猎的区域。该望远镜将使用具有更高灵敏度和空间分辨率的仪器来更深入地观测红移且暗淡的星系，在欧几里得的工作基础上进一步探索加速膨胀的宇宙。正如加州理工学院的戈登・斯夸尔斯所描述的那样：“我们正在努力理解整个宇宙的 90%。这两台望远镜都将提供关键数据，帮助我们开始揭开这些巨大的谜团。”