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欧几里得望远镜开工——目标是寻找暗物质证据！一起从科学家的角度欣赏这片梦幻光景！

14 亿欧元天文望远镜拍出的照片，你看过了吗?你看到现在这些照片，揭开了宇宙过去与现在、空间与时间所交织的秘密吗?

今年 11 月 7 日，位在 L2 拉格朗日点的欧几里得望远镜，终于传回来它升空后的第一批照片。这 5 张照片不只展示了望远镜的强大性能，更让我们窥见过去无法看到的，宇宙深处的幽美与奥秘。就让我们一起透过这些独特的照片，来一场探索宇宙的奇异之旅吧!

欧几里得望远镜有什么厉害之处?

今年 7 月 1 号升空的欧几里得望远镜，任务是观察宇宙大尺度结构，来研究暗物质与暗能量在宇宙中的分布与性质，让我们进一步了解自己身处的这个宇宙。

去年七月，接棒哈伯望远镜任务的詹姆斯.韦伯太空望远镜，传回来了升空后的第一批相片，每张照片都美的震撼人心，也带着我们从全新的视角，眺望遥远的系外行星、恒星、星云与早期宇宙。当时，我们制作了一集节目，和大家分享这批照片背后的重要意义。我们也提到，每个望远镜在完成校准以后，都会发布一批“开光照”，向外界传达望远镜已经可以顺利运作的好消息，同时也让大家了解这台新望远镜身上，背负了哪些重要的使命与任务。

而这次，新升空的欧几里得望远镜也终于完成校正，传回来不同于韦伯望远镜，从另一个视角看宇宙的开光照。先让我们来了解一下欧几里得望远镜。它的观测波段是可见光到近红外线波段，目标是观测大范围、不同远近的宇宙天体。预计在 6 年的服役期间，建立完整清晰的宇宙 3D 立体图像。只是，刚退役的哈伯太空望远镜，主要任务就是可见光波段的研究，去年刚任务正式开始的韦伯太空望远镜，则是红外线波段的佼佼者。那欧几里得望远镜有什么突破之处吗?这座花费 14 亿欧元的望远镜当然有它独到之处，它强大的地方在于，可以在更短时间内获得更高解析度的照片，同时拍摄更大范围的宇宙。比如哈伯太空望远镜需要好几天观测的天体，欧几里得望远镜一个小时就可以搞定，而且解析度更高。

欧几里得太空望远镜。图/wikimedia

其实看它们的任务目标就能很快理解，现在在天空上的韦伯和欧几里得，虽然有部分任务重叠。但韦伯更着重在寻找系外行星与观察星系、恒星系统的演化。欧几里得呢，则是将视野放大到整个宇宙，希望了解暗物质、暗能量在整个宇宙间扮演的角色。所以比起韦伯太空望远镜着重在拍摄小范围、高解析度的天体照片，欧几里得望远镜一开始的设计，就是要在短时间内扫描更大片的宇宙。因此，欧几里得望远镜也确实成为建立宇宙 3D 立体图像的最佳望远镜，定期的大范围扫描天空，让我们能一窥宇宙随时间的演化动态。

那么，就让我们来欣赏欧几里得望远镜的第一批照片吧!

欧几里得望远镜第一批照片公开!

第一张照片，像是在宇宙这张巨大的黑布上，撒下大小珍珠。它是一张距离地球 2.4 亿光年，英仙座星系团的影像照。

宇宙中有许多星系团，英仙座星系团就是其中之一，里面包含超过 1000 个星系，是宇宙中最大的结构之一。除此之外，这张照片不仅清楚拍下了星系团，如果将照片放大来看，还会发现背景中有许多过去难以看到的星系，数量超过 10 万个，最远的甚至达 100 亿光年。为什么第一批照片要选择拍摄星系团呢?因为研究星系团能帮助我们了解宇宙大尺度结构，进一步推算暗物质与暗能量的比例。

宇宙中的星系分布其实是不均匀的，有些地方有许多星系，有些区域则几乎没有。整个宇宙中天体的分布看起来就像是一张巨网。可是，为什么宇宙的大尺度结构是网状的呢?天文学家认为宇宙大爆炸之后，物质在宇宙中的分布会有些微的不均匀。当宇宙逐渐冷却，气体物质密度较高的地方会因为重力吸引而塌缩。但因为温度很高，高温产生的巨大压力又让气体团反弹回来，就像挤压一个压力球一样。来回震荡的过程中气体会像声波朝四面八方传递出去，称为重子声学振荡（BAO，baryon acoustic oscillations）。最后整个宇宙就像下毛毛雨时的池塘，形成由许多涟漪交织的网状结构，波腹的地方气体密度较高，变成星系高度聚集的区域，我们称为星系团。其他地方气体密度低，形成的星系数量较少，就像是宇宙间的孔洞。

而根据宇宙学家计算，要形成星系团、宇宙网（cosmic web）这类的宇宙大尺度结构，只靠已知物质提供的重力是不够的，很可能还有许多我们还不了解的物质参与其中，也就是暗物质。这张照片不仅能帮助科学家研究宇宙大尺度结构，更彰显欧几里得望远镜的重要任务之一，就是帮助科学家深入了解暗物质的分布与本质。

第二张照片是螺旋星系 IC342，离地球只有 1100 万光年，算是离地球很近的星系，但由于它被明亮的银河系盘面挡住了，观测的难度非常高。欧几里得望远镜利用近红外线仪器穿透尘埃进行观察，并移除许多银河系中的恒星光芒，最后才形成这张极高解析度的照片，展现了它观测隐藏星系的实力。

IC342。图/Judy Schmidt

这个螺旋星系在天空中的大小相当于一个满月那么大，要一次观测这样大范围的天空，同时保有超高解析度，目前只有欧几里得望远镜才办得到。由于螺旋星系 IC342 和银河系很像，观察它的演化有助于科学家理解银河系的形成过程。未来欧几里得望远镜也会观测更多隐藏星系和遥远的天体，绘制出它们的 3D 分布图。

第三张照片是不规则星系 NGC 6822。虽然跟 IC342、银河系一样也是星系，但形状不是螺旋而是不规则的。

透过光谱分析，我们知道这个星系中的重元素含量很低。重元素是透过大质量恒星核融合所产生的，重元素含量少表示星系里的恒星才刚形成，也就是一个很早期、相对年轻的星系。科学家认为，在宇宙早期星系刚开始演化时，大部分的星系就长得像这样，质量小、形状也不太规则。之后这些小星系会因为重力吸引其他星系，彼此相撞、融合成更大的星系，逐渐产生旋转的结构，形成像银河系这样的大质量螺旋星系。所以藉由观测这些早期星系，可以帮助科学家了解星系的形成过程。

另外，照片中一颗颗蓝色的圆形区域，是球状星团。球状星团中的星星都是由同一团气体产生，是宇宙最早形成的天体之一，有些甚至比星系本身还早。透过观测这些球状星团的运动，能协助我们更了解这个星系的形成史。

球状星团大部分分布在星系的外围，以很慢的速度绕行星系，可能要好几年才能观察到要它们的运动。那科学家要怎么知道这些星团是如何移动的呢?凡走过必留下痕迹，其中一种方式就是观察到它们与星系本身互动所留下的痕迹。在欧几里得望远镜传回来的第四张照片中，就呈现了这些细节。第四张照片是球状星团 NGC 6397，一个绕行银河系的球状星团。

当星团经过星系中的高密度区域，比如暗物质集中区、旋臂或星系盘面，星团中的星星会受到不同强度的重力吸引，使得星星彼此远离，这个力量称为潮汐力。顾名思义与潮汐的产生是相同的原理，由于地球各处受到太阳与月亮的重力总和不相同，在重力较强的地方海水受拉伸而涨潮，重力较弱的地方就会退潮。同样道理，球状星团在靠近星系中心的一侧受重力较强，远离星系的一侧则较弱，球状星团因而被拉伸，形成一条由星星组成的尾巴，称为潮汐尾。

透过观测潮汐尾，就可以了解球状星团，乃至星系的演化过程。如果没有潮汐尾，也可能代表有暗物质晕阻止外层恒星逃脱，能帮助我们进一步了解暗物质在星系当中的分布。但要瞭解潮汐尾的形成过程，必须有星团中每颗星星的移动资料，也就是需要同时进行大范围、短时间、高精度的观测。而欧几里得望远镜的优势此时就能充分发挥，它可以一次拍摄整个球状星团，而且只须一小时就可以得到这张高解析度的照片，连里面的很暗的星星也看的一清二楚。只要每隔一段时间拍摄一张照片，就可以制作成动画，了解星团中星体的运动轨迹。

最后，我们来介绍最后一张照片。它看起来最为梦幻，犹如一张宇宙中以繁星点缀的丝绸。它是距离地球约 1375 光年的马头星云，也是离我们最近，正在形成新生恒星的区域。在星云的上方（照片之外），有一颗明亮的恒星：猎户座 sigma 星，这颗星辐射出的紫外光激发了位在马头后方的星云，形成明亮、宛若薄纱的区域。组成马头的暗星云气体则因为温度较低，只有些微的热辐射，形成较为黯淡的前景，并稍微遮掩背后的明亮星云。前后星云层层堆叠，就像一幅宇宙给我们的水彩画。更进一步，藉由欧几里得望远镜高解析度的照片，科学家得以从中看到更多类木星、棕矮星、婴儿恒星等，协助科学家了解星云中的恒星形成过程。

图/wikimedia

对了，在我们介绍韦伯望远镜时有提到过，这些宇宙照通常不是它可见光波段下，真正我们肉眼所见的样貌。而是选定特定波长后透过颜色校正，甚至将不同波段的照片叠合，才得到的结果。也就是说，选则不同的电磁波波段，或是采取不同的调色方式，得到的照片都会有不同风味。

所以如果你觉得这张淡丽的马头星云不满意，也有这张，特别强化氢元素的红色光谱与氧元素蓝色光谱后，成为一张犹如灭世风格，带有点诡谲滤镜的另一种美照，是不是跟刚才的氛围完全不一样呢?

马头星云。图/wikimedia

顺带一提，对我来说，一样是星云照片，韦伯望远镜校色出来的照片还是觉得比较好看。例如之前介绍过的，韦伯望远镜开光照之一的船底座星云。还有原本是望远镜大前辈哈伯代表作，后来韦伯又重新翻拍的创世之柱，都更令人赞叹不已，对比与彩度都高上许多，给人一种正在仰望广阔宇宙的壮烈感。

韦伯望远镜所拍摄的船底座星云。图/wikimedia

创生之柱，左哈伯、右韦伯。

我们更了解这个宇宙了吗?

我们对于宇宙的瞭解还太少，目前宇宙中的已知物质，包括元素周期表上的所有原子，根据计算只占宇宙质能的 5%，剩下的估计都是暗物质与和能量。

但宇宙的奥秘就像一张复杂的拼图，每拼上一小块，都会给我们一些线索，猜测周围的拼图可能会是什么。当拼的够多，我们终有一天能得知宇宙整体的图画长什么样貌。恒星形成、星系演化方式、暗物质、暗能量等等，都各自是一块块重要的拼图，唯有了解它们才能逐步得知暗物质与暗能量的奥秘。

举例来说，暗物质所提供的重力在星系形成中扮演重要角色，目前最被科学界接受的冷暗物质（cold dark matter）模型，假设暗物质是由质量很大的粒子所组成，透过重力吸引聚集成许多小块，小块暗物质再彼此融合成更大的暗物质团块，质量足够大的团块就可以吸引够多的气体，形成早期星系，之后再彼此融合成为更大的螺旋或椭圆星系。但透过数值模拟，科学家发现这个模型有些问题。理论上来说应该要有数百到数千个小卫星星系，绕行像银河系这么大的螺旋星系旋转。但是天文学家实际上只观测到约十个小星系绕行银河系，这是著名的卫星遗失问题（Missing satellite problem）。

因此科学家又提出更多暗物质模型，比如与冷暗物质相对的热暗物质（warm dark matter）模型，可以透过热运动所产生的压力抵销重力，使得小暗物质团块变得不稳定，从而解释为何小星系的数量这么少。除了热暗物质以外，还有众多的暗物质模型。但要证明哪个模型是正确的，就需要更多观测数据与星系演化的模拟结果进行比较，才能得到答案。

不过看过欧几里得望远镜传回来的第一批照片，并了解其中代表的重要意义，就能充分感受到我们离解开这个谜团又更近了一步。还没完，预计于 2027 年升空的罗曼太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope），与欧几里得望远镜相同，都肩负研究暗能量与暗物质的重要任务。两座望远镜将一同一个从可见光，一个从红外线波段观察大范围宇宙，期待能为科学家带来宝贵的数据，解开这盘旋好几十年的谜团。

最后问问大家，在这批照片中，你最喜欢的是哪一张呢?

英仙座星系团，大尺度的宇宙图像，原来长这样。

螺旋星系 IC342，我们的邻居竟然这么漂亮，这么具有螺旋力。

马头星云，有层次感的星云照，真的令人目不暇给。

更多你喜欢的照片，或希望我们来介绍的天文照片，分享给我们吧!