7月1日，欧几里得太空望远镜将开始外太空之旅，执行一项重要任务——寻找有关宇宙起源的进一步线索。作为欧洲航天局(ESA)领导的项目的一部分，苏黎世大学研究人员参与了该任务的科学准备和评估。

欧几里得太空望远镜照亮黑暗

闪亮的星星、神秘的星云和遥远的星系——来自太空的图像激发了我们的想象力，激发了我们对外星生命的幻想。但研究人员已知的可见物质实际上只占宇宙的5%左右;众所周知，宇宙的95%都是黑匣子。暗物质和暗能量这两个看不见的因素影响着空间中物体的排列和宇宙的膨胀。

欧几里得太空望远镜现已准备好揭开黑暗：2023年7月1日，它将开始执行任务，以3D地图记录距地球100亿光年以内的星系的大尺度结构。研究人员希望这种独特的宇宙网记录能够更多地揭示暗物质和暗能量的本质以及万有引力定律。

通过放大镜效果间接观察

“暗物质是不发射、吸收或反射光的物质，”苏黎世大学理论天体物理和宇宙学中心的宇宙学家FrancescaLepori解释道。由于它是看不见的，研究人员很难对其进行研究。但似乎很明显，那里肯定还有其他东西：“观测到的星系排列不能用广义相对论来解释——除非质量比我们能看到的还要多，”莱波里说。

研究暗物质的唯一方法是通过其与引力的相互作用。因此，欧几里得星上有一种称为可见光(VIS)的仪器，它可以极其精确地对星系进行成像。“从这些照片中，我们将测量星系的扭曲程度，”莱波里解释道。这种扭曲的发生是由于一种称为引力透镜效应的效应：位于望远镜和观察到的星系之间的质量像放大镜一样偏转光线，使其后面的星系看起来扭曲。这位宇宙学家说：“这种效应将为我们提供有关欧几里得星系和观测到的星系之间存在多少暗物质的信息。”

暗能量占主导地位

自1998年以来，研究人员一直在研究另一种无法用爱因斯坦广义相对论解释的隐形现象。根据对爆炸的极其明亮的恒星(超新星)的测量，两个研究小组发现，宇宙的膨胀并没有像之前假设的那样减慢，而是在加速。“这种加速开始于大约50亿年前，”莱波里说。“你不会想到普通物质和暗物质会出现这种情况。我们将加速膨胀的原因归因于一种称为暗能量的奇异能量形式。”

目前，研究人员对暗能量最简单的描述是宇宙学常数：它指出暗能量的密度在宇宙的整个演化过程中不会改变。正如欧几里得通过观察非常遥远的星系来回顾100亿年前宇宙的起源一样，研究人员可以调查暗能量是否确实没有随着时间的推移而改变。

看到红色可能有启发性

研究人员希望从欧几里得号上的第二台仪器获得有关宇宙膨胀和驱动宇宙膨胀的暗能量的更多确凿数据。这是一种近红外光谱仪和光度计(NISP)，研究人员可以用它来评估一种称为红移的现象。与光的多普勒效应类似，远离我们的星系看起来“更红”，因为接收到的波长被拉伸。“星系离我们越远，它远离地球的速度就越快，”莱波里说。“因此，我们可以根据红移推断出到星系的距离，并获得有关宇宙膨胀的信息。”

然而，莱波里还没有准备好接受宇宙常数的简单模型。“我希望欧几里得能给我们一些新的投入，”她说。“比如，暗能量的密度在宇宙演化过程中是否发生了变化。”

欧几里得还可以提供有关爱因斯坦广义相对论的重要线索。“如果我们引入暗成分，万有引力定律只有在大尺度上才起作用，”莱波里解释道。但是，她说，在宇宙尺度上，广义相对论也有可能还不正确。“研究人员已经开发出许多修改引力理论的复杂模型，”莱波里说。“但现在我们需要欧几里得的观察来为我们指明正确的方向。”

图片来源：欧洲航天局

苏黎世大学的贡献

Lepori和其他九名苏黎世大学研究人员正在参与太空任务的科学评估。ESA欧几里得联盟拥有来自欧洲、美国、加拿大和日本100个研究所的2,600多名研究人员。他们正在研究广泛的问题，从定义科学目标和构建测量仪器到分析和评估数据。

“作为理论工作组的一员，我正在研究广义相对论的哪些效应对于欧几里得来说至关重要，并且应该在分析中予以考虑，”莱波里谈到她的角色时说道。她是SNSF-Eccellenza教授JulianAdamek的博士后研究员，他通过数值模拟为欧几里得任务做出了贡献。阿达梅克开发了一种代码，可以复制广义相对论和修正引力理论下物质的3D分布。

苏黎世大学研究人员还以其他方式参与其中。UZH计算机宇宙学家JoachimStadel和高性能计算专家DougPotter进行的模拟绘制了欧几里得可能观测到的所有星系。除其他外，它还用于测试分析工具处理大量数据的效果。与此同时，天体物理学教授奥雷尔·施奈德正在研究不同的暗物质场景，并研究它们对宇宙学观测的影响。UZH研究人员GiovanniArico、JeppeMosgaardDakin、SebastianSchulz、JozefBucko和JaiyulYoo对Euclid联盟做出了进一步的贡献。

正在进行中的数据管道

当欧几里得七月开始太空之旅时，苏黎世大学研究人员的工作不会立即改变。除了探索可以从Euclid中学到什么之外，他们目前正在研究处理和分析Euclid数据的方法和工具。“一旦第一个数据包到达我们，我们将完全专注于其分析，”莱波里说。欧几里得的第一批图像预计将于今年年底发布。

大爆炸

目前，最被证实的宇宙起源模型是大爆炸理论。它描述了137亿年前宇宙大爆炸后物质、空间和时间产生的宇宙发展过程。宇宙学家弗朗西斯卡·莱波里(FrancescaLepori)解释说：“大爆炸不一定是宇宙的开始，而是一个时间点，在此之前我们无法以科学的方式说出任何事情，因为我们无法观察到它。”

在大爆炸后的第一阶段，宇宙迅速膨胀。此时，它由几乎均匀的基本粒子等离子体组成。只有当宇宙越来越冷却时，第一个原子才会形成，光子才能分裂出来。接下来是所谓的“黑暗时代”，当时仍然没有星系，也没有可见光源。

大爆炸后约2亿年，恒星和星系开始形成。在万有引力的作用下，各个星系逐渐形成一个类似于节点和连接网络的大规模结构，因此也被称为宇宙网。在两者之间有一些几乎无关紧要的区域，称为空隙。

宇宙网形成时的阶段被称为宇宙的物质主导阶段，因为它是由引力和暗物质驱动的。然而，大爆炸50亿年后，宇宙的动力学发生了变化：宇宙的膨胀非但没有进一步减慢，反而在今天仍在加速。研究人员通过暗能量现在在膨胀中占主导地位的事实来解释这一点。