2023年7月，歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空。它將對(duì)宇宙中數(shù)十億個(gè)星系進(jìn)行成像，以探索占宇宙95%的暗能量和暗物質(zhì)的組成和演化。

近日，歐幾里得發(fā)布了首批科學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)。這批數(shù)據(jù)以三幅馬賽克拼圖的形式呈現(xiàn)，覆蓋了天空中的廣闊區(qū)域，內(nèi)容包括多個(gè)星系團(tuán)、活動(dòng)星系核、暫現(xiàn)現(xiàn)象，以及通過人工智能（AI）與公民科學(xué)合作完成的首批分類成果——共計(jì)超過38萬個(gè)星系和500個(gè)強(qiáng)引力透鏡候選。

歐幾里得深場(chǎng)（北、天爐座、南）。（圖/ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi）

這一切為歐幾里得未來深入探測(cè)“暗宇宙”所涉及的各類科研議題奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

深空三區(qū)域

歐幾里得的科學(xué)觀測(cè)聚焦于天空中的三個(gè)深場(chǎng)區(qū)域。在此次首輪觀測(cè)中，它用僅一周時(shí)間完成了這三個(gè)區(qū)域的首次成像，發(fā)現(xiàn)了約2600萬個(gè)星系，其中最遙遠(yuǎn)的星系距離地球約105億光年。這些區(qū)域還包含少量極為明亮的類星體。

歐幾里得深場(chǎng)在蓋亞和普朗克天空地圖上的位置。（圖/ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA; ESA/Gaia/DPAC; ESA/Planck Collaboration）

在未來的幾年里，歐幾里得將對(duì)每個(gè)深場(chǎng)進(jìn)行30到52次觀測(cè)。隨著觀測(cè)逐步累積，望遠(yuǎn)鏡將不斷捕捉遙遠(yuǎn)而微弱的星系，構(gòu)建人類歷史上最深的宇宙視圖之一。這些深場(chǎng)數(shù)據(jù)將支撐多項(xiàng)研究課題，包括星系結(jié)構(gòu)、強(qiáng)引力透鏡、星團(tuán)分布與恒星形成等。

此外，首批數(shù)據(jù)覆蓋了約63平方度的天空，相當(dāng)于滿月面積的300多倍。在2030年任務(wù)結(jié)束時(shí)，歐幾里得將觀測(cè)到三分之一天區(qū)——14,000平方度。

追蹤宇宙網(wǎng)

為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，歐幾里得配備了兩套核心儀器：

• 可見光儀器（VIS）用于高分辨率測(cè)量數(shù)十億星系的形態(tài)與分布；

• 近紅外頻譜儀和光度計(jì)（NISP）則用于測(cè)定星系的距離與質(zhì)量，是構(gòu)建三維宇宙圖譜的關(guān)鍵。

這些最新圖像已經(jīng)展現(xiàn)了成千上萬星系的細(xì)節(jié)，也初步揭示了它們?cè)谟钪婢W(wǎng)中的分布方式。這些由普通物質(zhì)與暗物質(zhì)交織而成的宇宙絲狀結(jié)構(gòu)，是星系形成與演化的搖籃，理解它們的分布對(duì)揭示暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)至關(guān)重要。

歐幾里得深場(chǎng)南，16倍變焦與70倍變焦。（圖/ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi）

不過，研究人員指出，要想真正從宇宙網(wǎng)的大尺度結(jié)構(gòu)中理解暗物質(zhì)與暗能量，歐幾里得必須完成整個(gè)調(diào)查。但值得慶幸的是，首次發(fā)布的數(shù)據(jù)就已經(jīng)足以為天文學(xué)家提供前所未有的洞察，幫助揭示星系形成的時(shí)間序列與機(jī)制。

分類38萬個(gè)星系

歐幾里得預(yù)計(jì)在任務(wù)期間捕捉超過15億個(gè)星系圖像，并每天傳回約100 GB的數(shù)據(jù)。如此龐大的數(shù)據(jù)量帶來了巨大的科研潛力，也對(duì)星系的搜索、分析與編目提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

為此，人工智能（AI）已成為不可或缺的工具。借助先進(jìn)算法，科學(xué)家如今能在數(shù)周內(nèi)完成過去需要數(shù)年才能完成的分析工作。

這種合作的代表性成果之一，就是AI模型“Zoobot”與9976名“銀河動(dòng)物園”（Galaxy Zoo）的公民科學(xué)志愿者共同建立的星系表。在為期一個(gè)月的密集活動(dòng)中，志愿者通過標(biāo)注歐幾里得圖像，幫助AI識(shí)別螺旋臂、棒狀核與潮汐尾跡等結(jié)構(gòu)特征，最終完成了超38萬個(gè)星系的詳細(xì)形態(tài)分類。

歐幾里得捕捉到的不同形狀的星系。天文學(xué)家正在從內(nèi)到外觀察星系——既看它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何主導(dǎo)演化，也關(guān)注外部環(huán)境如何塑造其長(zhǎng)期變化。（圖/ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by M. Walmsley, M. Huertas-Company, J.-C. Cuillandre）

值得注意的是，這份星系表僅占?xì)W幾里得最終數(shù)據(jù)量的0.4%。未來的分類將比現(xiàn)有最大數(shù)據(jù)庫(kù)多出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，有助于科學(xué)家回答諸如旋臂如何形成、超大質(zhì)量黑洞如何演化等關(guān)鍵問題。

引力透鏡

當(dāng)遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光穿越前景中的物質(zhì)和暗物質(zhì)時(shí)，其路徑會(huì)因引力彎曲而發(fā)生圖像畸變，這就是引力透鏡效應(yīng)。它將是歐幾里得用于揭示暗物質(zhì)分布的重要方法。

在某些情況下，畸變極為明顯，形成所謂的強(qiáng)引力透鏡，可呈現(xiàn)出愛因斯坦環(huán)、弧與多重像等特征。借助AI初步篩選、公民科學(xué)復(fù)核與專家建模，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)整理出500個(gè)此前未知的強(qiáng)引力透鏡候選。

歐幾里得捕捉到的強(qiáng)引力透鏡。（圖/ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by M. Walmsley, M. Huertas-Company, J.-C. Cuillandre）

預(yù)計(jì)到2026年年底主要宇宙學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布時(shí)，歐幾里得將識(shí)別出約7000個(gè)此類候選。整個(gè)任務(wù)結(jié)束時(shí)，這一數(shù)字將達(dá)到約10萬個(gè)，是目前已知強(qiáng)引力透鏡數(shù)量的100倍。

歐幾里得還將測(cè)量更微妙的弱引力透鏡，即當(dāng)圖像畸變很小，僅能通過統(tǒng)計(jì)大量星系數(shù)據(jù)加以辨識(shí)的現(xiàn)象。這將幫助天文學(xué)家建立橫跨百億年宇宙歷史的三維暗物質(zhì)分布圖。

一個(gè)強(qiáng)大的發(fā)現(xiàn)引擎

這次，歐幾里得、人工智能、公民科學(xué)與專業(yè)知識(shí)，共同整合成了一個(gè)強(qiáng)大的“發(fā)現(xiàn)引擎”，為解讀海量宇宙數(shù)據(jù)打開了嶄新通道。屬于歐幾里得的旅程才剛剛開始，而它帶來的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，將在未來數(shù)年乃至數(shù)十年間持續(xù)回響。

#參考來源：

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_opens_data_treasure_trove_offers_glimpse_of_deep_fields

https://www.mpg.de/24349746/euclid-data-release

https://physics.aps.org/articles/v18/64

#圖片來源：

封面圖&首圖：ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA; image processing by J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. An-selmi