欧几里得望远镜的首批图像已经面世正改变我们看待宇宙的方式

0 cnBeta.COM 2025-04-17 03:39:15

摘要：

欧几里得望远镜首次发布的数据让我们得以一窥令人惊叹的宇宙，揭示了超过 2600 万个星系，并展示了该望远镜在可见光和红外波段前所未有的精度。该任务由先进的光学技术和海量数据处理基础设施提供支持，正在彻底改变我们对星系演化、暗能量和宇宙网络的理解。德国在光学、数据校准和科学解释方面发挥着至关重要的作用，机器学习和公民科学家正在帮助我们解读海量信息。

这幅图像展示了欧几里得在首次观测深空区域时捕捉到的引力透镜现象。图片来源：ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA，图像处理：M. Walmsley、M. Huertas-Company 和 J.-C. Cuillandre

欧几里得首次发布的数据覆盖了广阔的天空区域，并由三幅大型马赛克图组成。它包含对星系团、活动星系核和瞬变事件的详细观测，为科学家研究现代宇宙学中一些重大问题提供了丰富的数据集。通过这项初步调查，欧几里得开始揭示我们的宇宙历史以及塑造宇宙的隐藏力量——例如暗物质和暗能量。

欧几里得望远镜最强大的功能之一是其超大的视野。它单次曝光的成像面积比哈勃太空望远镜大240倍，同时还能在可见光和红外波段保持高分辨率成像。

这幅图像展示了不同形状的星系样本，均由欧几里得在首次观测深场区域时捕捉到。作为数据发布的一部分，一份包含超过38万个星系的详细星表也已发布，这些星系已根据螺旋臂、中心棒和潮汐尾等特征进行了分类，这些特征预示着星系的合并。图片来源：ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA，图像处理：M. Walmsley、M. Huertas-Company 和 J.-C. Cuillandre

欧几里得望远镜的红外成像能力尤为先进，这在很大程度上得益于两家德国机构开发的关键光学元件：位于加兴的马克斯·普朗克地外物理研究所 (MPE) 和位于海德堡的马克斯·普朗克天文研究所 (MPIA)。进入望远镜的光线会经过四个透镜、一个滤光片和一个分束器，从而产生极高的图像对比度。

“抑制重影的要求超出了一百倍。MPE 和 MPIA 的光学设计和精密执行为图像清晰度和对比度设立了新的标准，”领导 MPE 近红外光学系统开发的 Frank Grupp 说道。

MPE 也为星系演化研究做出了贡献。“我们编制了一份包含来自不同巡天项目的超过 7 万个光谱红移的星表，并将其与欧几里得数据相结合，”该项目这部分负责人 Christoph Saulder 解释道。“这份星表能够精确测量距离，并清晰地识别欧几里得高分辨率图像中的众多星系和类星体。它为更深入地了解这些天体、它们的分布及其内部特性奠定了基础。”

艺术家对欧几里得太空任务的印象。欧几里得的设计目标是探索宇宙的广阔空间，解答一些关于宇宙的最基本问题：什么是暗物质和暗能量？它们在宇宙网的形成过程中扮演了什么角色？该任务将利用其灵敏的望远镜扫描天空，对数十亿个遥远的星系进行分类。图片来源：欧空局

“新数据还用于测试测量宇宙剪切和校准红移的技术，这些技术很快将应用于规模更大的欧几里得数据集，以实现主要的科学目标——精确测量暗能量，”波鸿鲁尔大学的亨德里克·希尔德布兰特说道。他领导着测量宇宙剪切的关键项目和红移校准工作组。

此外，慕尼黑路德维希马克西米利安大学（LMU）的科学家们测试了识别和表征星系过密特征的方法，这是追踪宇宙大尺度结构的关键一步。“这项任务中用于精确定位星系团的方法，对于充分利用欧几里得庞大的数据集、改进星系团识别以及加深对宇宙结构形成理解至关重要。同时，它们有助于利用具有统计意义的天体样本，探索近红外波段此前未知的区域，”LMU 科学家芭芭拉·萨托里斯说道。

同样，MPIA 的科学家在众多欧几里得研究中也发挥着主导作用。他们利用这些数据识别正在成长的超大质量黑洞，解答有关星系演化的基本问题，并对年轻和年老的瞬变天体进行精确的光度测量。

这是欧几里得南深场。仅一次观测之后，这架太空望远镜就已在该区域发现了超过1100万个星系。未来几年，欧几里得将对该区域进行更多观测，直至达到其最大深度。从这幅图像中，我们可以看到宇宙的宏观结构。这就是星系沿着所谓的“宇宙网”的组织结构。这张网由巨大的星系团组成，它们通过气体和不可见的暗物质相互连接。图片来源：ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA，图像处理：J.-C. Cuillandre、E. Bertin 和 G. Anselmi

欧几里得望远镜已在天空中确定了三个区域，最终将为此次任务提供最深入的观测。迄今为止，仅用一周的观测时间，对每个区域进行一次扫描，欧几里得望远镜就已发现了2600万个星系。其中最远的星系距离地球达105亿光年。这些星系的总面积相当于满月的300多倍。

为了揭开其探索的奥秘，欧几里得利用其高分辨率可见光成像仪（VIS）精确测量了数十亿个星系的各种形状和分布。相比之下，其近红外仪器（NISP）对于确定星系的距离和质量至关重要。

MPE负责设计和建造NISP近红外光学系统。而MPIA则负责NISP校准的关键任务。“MPIA的工程师和科学家正在开发和维护该任务的整个校准计划，校准和科学监测近红外相机NISP，进行模拟，并进行仪器监测等技术分析，”MPIA的Mischa Schirmer说道。他是欧几里得任务校准和NISP校准的科学家。

这些新图像证明了这些努力，展示了欧几里得绘制数十万个星系的能力，并开始暗示这些星系在宇宙网络中的大规模组织。

这幅图像展示了欧几里得深场南区的一部分。与大型马赛克图相比，该区域放大了16倍。图中可见许多星系，由于年龄和距离不同，它们的形状和颜色各不相同。图片来源：ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA，图像处理：J.-C. Cuillandre、E. Bertin、G. Anselmi

欧几里得预计将在六年内拍摄超过15亿个星系的图像，每天发回约100GB的数据。如此庞大的数据集创造了令人难以置信的探索机遇，但也带来了巨大的挑战。

欧几里得联盟已在欧洲建立了由九个数据中心组成的网络，其中包括位于马普托空间科学中心（MPE）的德国科学数据中心（SDC-DE）。该中心配备了7000台处理器，处理欧几里得记录的10%的数据。一个由至少十名专家组成的团队确保天文图像数据的流畅一致处理。马普托空间科学中心的Max Fabricius领导着SDC-DE，他表示：“每天大约有100 GB的原始数据几乎实时处理。对光度测量精度的要求非常高，需要采用全新的数据校准方法。”

在搜寻、分析和编目星系方面，机器学习算法的进步与成千上万的人类公民科学志愿者和专家的共同努力，发挥着至关重要的作用。它是充分利用欧几里得庞大数据集的基本且必要的工具。这项工作的一个重要里程碑是首次对超过38万个星系进行了详细的编目，这些星系的特征包括螺旋臂、中心棒和潮汐尾，这些特征可以推断出星系合并的可能性。

首份星表仅占欧几里得望远镜预期在其生命周期内拍摄到的类似分辨率星系总数的0.4%。最终星表将呈现比以往测量数量至少多一个数量级的星系的详细形态，帮助科学家解答诸如螺旋臂如何形成以及超大质量黑洞如何生长等问题。

这幅图像展示了欧几里得深场南区的一部分。与大型拼接图相比，该区域放大了70倍。图像中可以看到各种巨大的星系团，以及星系团内部的光和引力透镜。靠近中心的星系团名为J041110.98-481939.3，距离我们约60亿光年。图片来源：ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA，图像处理：J.-C. Cuillandre、E. Bertin、G. Anselmi

从遥远星系向我们传播的光会被前景中的正常物质和暗物质弯曲和扭曲。这种效应被称为引力透镜，是欧几里得用来揭示暗物质在宇宙中分布方式的工具之一。当扭曲非常明显时，它被称为“强透镜”，可以产生爱因斯坦环、弧线和多重成像透镜等特征。

今天发布了首份包含500个星系间强透镜候选体的目录，几乎所有候选体此前都未知。MPIA的科学家参与了引力透镜的分类，根据图像成为透镜的概率对其进行标记，作为机器学习的输入。“这些人工智能系统最终将在任务结束时对分析扩大200倍的天空区域至关重要。受透镜效应扭曲的星系数量最终将增加到惊人的10万个，约为目前已知数量的100倍。对于这个前所未有的数据集，人工无法对单个物体进行分类，”MPIA的Knud Jahnke强调道。他是NISP的仪器科学家。

当背景源的扭曲程度远小于“弱”透镜效应时，欧几里得望远镜还能测量这种现象。这种细微的扭曲只有通过对大量星系进行统计分析才能探测到。未来几年，欧几里得望远镜将测量宇宙100亿年历史中数十亿个星系的扭曲形状，从而提供宇宙中暗物质分布的三维视图。