高分辨率插图的欧几里德和罗马航天器对星空背景

2023年6月27日

美国宇航局的罗曼和欧洲航天局的欧几里德将合作研究暗能量

一架名为Euclid的新太空望远镜将于7月发射，以探索宇宙膨胀加速的原因。该望远镜是欧洲航天局(ESA)的一项任务，得到了美国宇航局的重要贡献。科学家将这种宇宙加速的未知原因称为“暗能量”。到2027年5月，美国宇航局的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将加入欧几里德，以前所未有的方式探索这个难题。

“在被发现25年后，宇宙的加速膨胀仍然是天体物理学中最紧迫的谜团之一，”美国宇航局南加州喷气推进实验室的高级研究科学家杰森·罗兹说。罗兹是罗曼的副项目科学家，也是欧几里德的美国科学带头人。“通过这些即将到来的望远镜，我们将以不同的方式测量暗能量，并且比以前更精确，开辟了探索这一奥秘的新时代。”

科学家们不确定宇宙的加速膨胀是否是由额外的能量成分引起的，或者它是否表明我们对重力的理解需要以某种方式改变。天文学家将使用罗马和欧几里得测试两种理论与此同时，科学家们希望这两项任务能够揭示关于宇宙基本运作的重要信息。

欧几里德和罗曼都被设计来研究宇宙加速，但使用不同的和互补的策略。这两项任务都将制作宇宙的3D地图，以回答关于宇宙历史和结构的基本问题。他们在一起会比单独行动更有力量。

欧几里德将在红外和光学波长的光中观察更大的天空区域——大约15，000平方度，或大约三分之一的天空——但没有罗曼那么详细。它将回溯到100亿年前宇宙大约30亿岁的时候。

Roman最大的核心调查将能够探测到更深更精确的宇宙，但覆盖的区域更小——大约2000平方度，或天空的二十分之一。它的红外图像将揭开宇宙20亿岁时的面纱，揭示大量较暗的星系。虽然欧几里德将专注于宇宙学，罗曼也将调查附近的星系，发现和研究我们银河系中的行星，研究太阳系外围的物体，等等。

这张信息图比较了欧空局的欧几里德和美国宇航局的罗马飞船的许多关键元素。这两者将以互补的方式揭示宇宙中最神秘的组成部分。替代文字:标题为“宇宙天文台”的对比图表它把欧洲航天局列为欧几里得的主要机构，把美国国家航空航天局列为罗曼的。欧几里德的主要科学是宇宙学(暗能量)，罗曼将探索宇宙学、系外行星以及红外天文学中的许多其他主题(包括暗能量)。欧几里德将使用弱透镜和星系聚集的方法来探测暗能量；罗曼将利用这些外加的Ia型超新星。欧几里德提出的调查规模是15000平方度，罗曼的是~ 2000平方度。欧几里德将观察可见光和红外波长，而罗曼将看到红外。Euclid的一台仪器中有36个4K CCD检测器，另一台仪器中有16个2K HgCdTe NIR检测器阵列，而Roman的主要仪器中有18个4K HgCdTe NIR检测器阵列。欧空局的主镜宽3.9英尺(1.2米)；罗曼的是7.9英尺(2.4米)。Euclid计划于2023年7月推出，Roman计划于2027年5月推出。两者都将围绕日地L2运行。欧几里德飞船长14.9英尺(4.5米)，罗曼将有42英尺(12.7米)。欧几里得的质量是4500磅(2000公斤)，罗马的质量是18000磅(8000公斤)。

高分辨率插图的欧几里德和罗马航天器对星空背景

暗能量搜寻

宇宙自诞生以来一直在膨胀——这是比利时天文学家乔治·勒梅特在1927年和埃德温·哈勃在1929年发现的事实。但是科学家预计宇宙物质的引力会逐渐减缓这种膨胀。在20世纪90年代，通过观察一种特殊的超新星，科学家发现大约60亿年前，暗能量开始加大对宇宙的影响，没人知道是如何或为什么。它在加速的事实意味着我们对宇宙的描述缺少了一些基本的东西。

Roman和Euclid将提供不同的令人信服的新数据流来填补我们理解中的空白。他们将试图用几种不同的方法来确定宇宙加速的原因。

首先，罗曼和欧几里德都将使用一种叫做弱引力透镜的技术来研究物质的积累。这种光弯曲现象的发生是因为任何有质量的东西都会扭曲时空结构；质量越大，弯曲越大。光线穿过这些扭曲产生的遥远光源的图像看起来也是扭曲的。当那些较近的“透镜”物体是大质量星系或星系团时，背景源可能会出现模糊或形成多重图像。

不太集中的物质，如团块暗物质，可以创造出更微妙的效果。通过研究这些较小的扭曲，Roman和Euclid将各自创建一个3D暗物质地图。这将提供关于宇宙加速的线索，因为暗物质的引力吸引，就像一种将星系和星系团聚集在一起的宇宙粘合剂，抵消了宇宙的膨胀。在宇宙时间内统计宇宙暗物质将有助于科学家更好地理解宇宙加速中的推拉效应。

这两个特派团还将研究星系聚集在一起的方式在不同的宇宙时代。科学家们通过对附近宇宙的测量发现了星系聚集的方式。对于今天的任何星系来说，我们找到另一个大约5亿光年远的星系的可能性是稍微近一点或远一点的两倍。

由于空间的扩张，这个距离随着时间而增长。通过向宇宙的更远处看，到更早的宇宙时代，天文学家可以研究不同时代星系之间的优选距离。看它是如何变化的，会揭示宇宙的膨胀史。观察星系团如何随时间变化，也将有助于精确测试重力。这将有助于天文学家区分未知的能量成分和各种修改后的重力理论，作为宇宙加速的解释。

罗曼将进行一次额外的调查来发现许多遥远的Ia型超新星–一种特殊类型的爆炸恒星。这些爆炸在相似的内在亮度达到峰值。正因为如此，天文学家可以通过简单地测量超新星的亮度来确定它们有多远。

天文学家将使用Roman来研究这些超新星的光，以找出它们离开我们的速度有多快。通过比较它们在不同距离后退的速度，科学家们将追踪宇宙随时间的膨胀。这将有助于我们更好地理解暗能量在整个宇宙历史中是否以及如何发生了变化。

强有力的一对

这两个任务的调查将重叠，欧几里德可能会观察罗曼将扫描的整个区域。这意味着科学家将能够使用Roman更敏感和精确的数据对Euclid的数据进行校正，并将校正扩展到Euclid更大的区域。

“欧几里德对它将勘测的广阔天空区域的首次观察将为罗曼的更深潜水提供科学、分析和勘测方法，”美国宇航局喷气推进实验室的美国宇航局欧几里德贡献项目科学家迈克·塞弗特说。

“欧几里德和罗曼加在一起，将远远超过它们各部分的总和，”王云说，他是加州帕萨迪纳市加州理工学院/IPAC的高级研究科学家，他领导了欧几里德和罗曼的星系聚类科学小组。"综合他们的观察，将使天文学家更好地了解宇宙中到底发生了什么。"

美国宇航局支持的三个科学小组正在为欧几里德任务做出贡献。除了设计和制造欧几里德的近红外光谱仪和光度计(NISP)仪器传感器芯片电子设备，JPL领导了NISP探测器的采购和交付。这些探测器在美国宇航局戈达德太空飞行中心进行了测试。位于加州理工学院IPAC的Euclid NASA科学中心(ENSCI)将使用Euclid数据支持美国的研究。

Nancy Grace Roman太空望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心管理，参与方包括美国宇航局喷气推进实验室和南加州加州理工学院/IPAC分校、位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所以及由来自不同研究机构的科学家组成的科学团队。主要的工业伙伴是科罗拉多州博尔德的鲍尔航空航天技术公司；佛罗里达州墨尔本的L3Harris技术公司；和加州千橡市的Teledyne Scientific & Imaging。