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  欧几里得望远镜能解开暗物质之谜吗?

  《中国新闻周刊》记者:杨智杰

  发于2023.7.10总第1099期《中国新闻周刊》杂志

  北京时间7月1日晚23时12分,由欧洲空间局(以下简称欧空局)设计的欧几里得空间望远镜(以下简称欧几里得望远镜)搭乘美国SpaceX公司的猎鹰 9 号火箭,从美国佛罗里达州发射升空。未来6年,它将勘测超过三分之一的宇宙,为超过10亿个星系做“CT扫描”,并绘制出一张宇宙三维“地图”。

  据欧空局官网介绍,依据欧几里得望远镜观测的海量数据,可以前所未有地确定过去100亿年中宇宙的膨胀和结构演化,并有助于揭开宇宙学的两大奥秘:暗能量和暗物质。

  中国科学院国家天文台研究员巩岩长期研究暗物质和暗能量模型,是中国巡天空间望远镜(CSST)国家天文台科学研究中心常务副主任。他对《中国新闻周刊》介绍说,暗物质和暗能量,是目前物理学和天文学最前沿的研究领域,也是笼罩在两个学科头顶上的“两朵乌云”。多个国家都在相关领域攻关,如果将这两大谜团破解了,对人类来说是非常重大的突破。

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  人类对95%的宇宙还一无所知

  2009年,欧空局发射“普朗克”探测卫星,耗时3年,精准绘制出宇宙微波背景辐射图,这是宇宙大爆炸时的遗留辐射,被称为宇宙中最古老的光。2013年,第一幅反映宇宙诞生初期的全景图公开后,科学家确认,它几乎完美地验证了宇宙标准模型。即在宇宙中,所有可见的普通物质,包括恒星、行星以及我们生活中的一切,只占宇宙总能量的5%,暗物质占27%,暗能量占68%。

  但人们需要解答的问题是,暗物质和暗能量到底是什么。过去近一个世纪中,许多研究者测量发现,恒星绕星系中心旋转的速度大于预测结果,猜测存在不可见的物质增大了使得恒星旋转的引力,科学家将其称为暗物质。而暗能量是指驱动宇宙加速膨胀的神秘物质。暗物质与普通物质不同,看不见、摸不着、听不到。过去数十年,天文学家和理论物理学家想尽办法,都无法直接探测到暗物质和暗能量的存在,对其性质更一无所知。

  2012年,欧几里得计划被欧空局选中实施,来自13个欧洲国家、美国、日本等国的2000多名科学家参与了这项计划,耗资约10亿欧元研制完成欧几里得探测器。如今,这一以几何学之父命名的探测器,搭载口径为1.2米的欧几里得望远镜,以及一台可见光波长相机和一台近红外相机,将在宇宙航行一个月,最终悬停在距地球150万公里外的拉格朗日点L2。欧几里德望远镜将与詹姆斯·韦伯望远镜共享同一位置,共同凝望宇宙深处。

  欧几里得望远镜的发射几经波澜。2022年,欧几里得望远镜建造完成,原计划搭载俄罗斯火箭,从南美洲发射,但受俄乌战争影响,欧洲和俄罗斯的航天部门合作终止。2022年底,欧空局找到替代方案,与美国公司SpaceX合作,发射地点转移到美国。依据欧空局官网公布的目标,欧几里得望远镜将用于研究暗能量是否存在,或探明宇宙明显急速膨胀的原因是什么;如果暗能量存在,它的特点是什么,并根据观察到的宇宙大规模结构,研究大爆炸后的宇宙状况。

  巩岩对《中国新闻周刊》介绍说,欧几里得望远镜并不是直接探测暗物质,严格地说,对暗物质的探测需要探测到暗物质粒子。暗物质有多种理论假说,其中之一认为,暗物质是重质量粒子。过去数十年,科学家主要通过三种方式探测暗物质:利用大型对撞机,测试能否撞出暗物质粒子;在地下十几公里建立实验室,保证其他粒子无法穿透,寻找暗物质与其他物质相互作用的痕迹;在地面或太空探测暗物质“湮灭”或衰变后产生的常见粒子。但迄今为止,人们穷尽了上述所有办法,都没有探测到暗物质粒子的踪影。

  巩岩解释说,欧几里得望远镜的工作原理是,假设暗物质存在,通过对宇宙中海量天体的探测,将得到的数据与相关模型进行对照和验证,来确定或排除相应的暗物质模型。这实际上是一种理论上的“排除法”。“如果人们把暗物质的性质探测得足够精确,其他理论都无法解释这个数据,最后只能用暗物质来解释。”巩岩说。

  欧空局的官方网站介绍,欧几里得望远镜主要通过两种方式实现科学目标。望远镜将测量15亿个背景星系,创建宇宙暗物质分布的三维视图,宇宙学家将借此推断宇宙历史中的星系结构如何形成,以及星系结构的生长速度。这与暗物质和暗能量的性质与数量相关。同时,欧几里得望远镜也将利用重子声学振荡,测量宇宙的膨胀率及其变化。重子声学振荡可以简单理解为宇宙早期的声音波动,它们在宇宙微波背景辐射留下了痕迹,有助于了解宇宙的演化和结构的形成。两种方式的测量对象是几乎相同的天体,结果可以交叉检验,减小误差。

  作为第四代巡天望远镜,欧几里得和哈勃望远镜有明显区别。“哈勃是精测望远镜,能清晰拍摄某一小片天区内的天体,只能探测太空中很小的区域,相当于通过‘针孔’观测。”巩岩说,想要研究暗物质和暗能量,望远镜要看到更广袤的宇宙。欧几里得望远镜则是“把针孔拿掉”,在更大的视野中扫描整个宇宙的天体。

  此外,欧几里得望远镜也能“看得更远”。天体发出的光随着宇宙膨胀被拉伸,会出现“红移现象”。红移越大,天体离人类的距离越远。欧几里得同时搭载测量星系形状的可见光相机,以及测星系亮度和距离的近红外光谱仪,能观测到宇宙形成30亿年后的光。“它探测宇宙的广度和深度,都是目前其他望远镜无法比拟的,观测数据量之大在同类型望远镜中也前所未有。”巩岩对《中国新闻周刊》说。

  欧几里得望远镜的另一个重要科学目标是,通过对宇宙物质分布结构的分析,测量出中微子的质量。目前,科学家认为,中微子由电子中微子、缪子中微子、陶子中微子三种不同类型的中微子组合而成,现有地面实验无法确认三者的质量排序。粒子物理学的标准模型中,中微子理论上质量为零,但地面实验和观测中表明中微子是有质量的。“对三种中微子质量之和的精确测量,对于了解中微子的质量排序,以及其质量获得的机制有着重要作用。”巩岩分析说,这对于中微子乃至基本物理的研究都会有极大推动作用。

  无法单独完成观测目标

  在地球上,光在真空中沿直线传播,但在更广阔的宇宙中,情况并非如此。根据爱因斯坦广义相对论的预测,一个遥远星系发出的光,经过星系或者星系团这类大质量天体,受引力影响,会产生轻微弯曲。类似于被置于放大镜下,其成像形态和亮度都会发生改变,这被称为引力透镜效应。科学家认为,背景光源的扭曲不是随机的,它与暗物质的引力场相关,可以从中探测暗物质的密度分布。

  巩岩解释说,理想状态下,发光的星系等光源、光经过的大质量物质、观测者三点一线时,引力透镜效应最强。但在宇宙中,一般情况下,光源只会发生微弱透镜效应,使观测难度增加,这被称为弱引力透镜效应。正式开启探测后,欧几里得望远镜将通过弱引力透镜效应来绘制暗物质分布图。“虽然单个星系的形状和亮度变化很小,但这是一个统计概念,如果把几亿、十几亿的星系的形状和亮度都测一遍,统计效应就出来了。”巩岩说。

  因此,欧几里得望远镜要观测足够广阔的宇宙,巩岩介绍说,“在设计上,欧几里得望远镜在可见光观测上只用了一个宽波段,有助于更准确地测量星系形状。”但大型巡天望远镜普遍使用测光红移技术,即用多个波段的测光数据来估算红移。欧几里得仅用一个可见光宽波段和几个近红外波段,会降低测光红移的准确度,“红移测不准,对弱引力透镜效应的测量也没办法十分准确。”巩岩说。

  这是欧几里得望远镜未来探测面临的最大挑战之一。巩岩介绍,如果想圆满完成科学目标,欧几里得望远镜需要其他望远镜的配合。欧空局官网也提到,这一望远镜需要来自地面望远镜的额外数据,以改进红移测定技术和单个星系的点扩散函数建模。但巩岩提到,不同望远镜如何协同观测、协同数据处理,对欧几里得望远镜的测量来说将是非常大的挑战。比如,要面对的挑战包括地面望远镜观测容易受大气扰动等影响,每一次的观测效果不同,仪器参数也不相同等。

  近年来,欧洲、中国、美国等多个国家和地区都在致力于暗物质、暗能量的研究和探测。美国国家航空航天局(NASA)正在研制南希·格雷斯·罗曼太空望远镜,计划2027年发射。中国两米口径的巡天空间望远镜(CSST)计划于2024年发射。这些望远镜和欧几里得有相似的研究方向,用于开展广域巡天观测,在宇宙结构形成和演化、暗物质和暗能量领域开展前沿研究。

  2013年,中国巡天空间望远镜计划立项,中国科学院国家天文台研究员詹虎参与了CSST的研制工作,他对媒体表示,CSST拟于2023年底前交付,计划在2024年发射。据报道,CSST太空飞行器的大小相当于一辆大客车,立起来有3层楼高。“巡天观测”是CSST的主要使命,它将会覆盖整个天空面积的40%,积累获得近20亿星系的高质量数据。

  NASA研制的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜的众多科学目标中,也同样包含研究宇宙尺度和暗能量,此外,它还将寻找宇宙超新星事件等。但它与中国和欧洲的天文望远镜又有所不同。欧空局官方介绍,罗曼和欧几里得望远镜的使命是“互补的”,欧几里得的测量视野更广,而罗曼只是勘测较小的区域,但会以更高分辨率和更大波长覆盖范围探测,两者的重叠结果可用于互相检查系统误差。

  这类巡天望远镜最终能否揭开暗物质和暗能量的面纱?英国兰卡斯特大学天体物理学教授、欧几里得科学家伊莎贝尔·胡克在接受采访时提到,欧几里得将在几个月后发回它对宇宙的“初印象”照片,但科学家还要等待数年时间,才能拿到海量的数据,宣布一些新成果。

  《中国新闻周刊》2023年第25期

  声明:刊用《中国新闻周刊》稿件务经书面授权 【编辑:孙静波】

  央视网消息:近日,多个权威部门发布上半年各项经济数据。数据显示,我国经济持续向好,高质量发展呈现强劲态势。

  上半年用电量增加 彰显经济复苏活力

  国家能源局发布数据显示,上半年全社会用电量同比增长5%,服务业、高端制造业等用电量增长较快。

  6月份,全社会用电量7751亿千瓦时,同比增长3.9%。1—6月,全社会用电量累计43076亿千瓦时,同比增长5%。其中,第一、第二、第三产业用电量同比分别增长12.1%、4.4%、9.9%,城乡居民生活用电量同比增长1.3%。

  上半年铁路运输业投资稳 动力足

  今年以来,国铁集团以联网、补网、强链为重点,推动一批“十四五”规划纲要确定的重点项目建设取得新进展。

  1—6月份,全国铁路完成固定资产投资3049亿元,同比增长6.9%。1—6月份,国家铁路发送煤炭10.53亿吨,同比增长1.6%。其中,电煤7.77亿吨,同比增长13.1%,有效保障了国民经济平稳运行和人民群众生产生活需要。

  央企战略性新兴产业上半年投资同比增长超40%

  国务院国资委最新数据显示,今年1—6月,中央企业累计完成固定资产投资1.4万亿元,同比增长18.6%。其中,战略性新兴产业完成投资同比增长超过40%,主要覆盖新一代移动通信、人工智能、生物技术、新材料等15个重点产业领域方向。

  汽车工业发展70年 多项指标实现跨越式发展

  工业和信息化部今天(7月15日)披露,中国汽车工业发展70年来,多项指标实现了跨越式发展。产销量连续14年全球第一,今年有望成为全球第一出口大国。此外,汽车销售额占全国商品零售额比等指标稳定在10%左右。

  上半年国内旅游收入2.30万亿元 同比增长95.9%

  文化和旅游部数据显示,2023年上半年,国内旅游总人次23.84亿,同比增长63.9%,国内旅游收入2.30万亿元,同比增长95.9%。其中,城镇居民出游花费1.98万亿元,同比增长108.9%;农村居民出游花费0.32万亿元,同比增长41.5%。

  全国夏粮产量14613万吨 实现丰收

  今年,夏粮产量为14613万吨,处于较高水平,实现了丰收。数据显示,2023年,全国夏粮播种面积26609千公顷,比上年增加78.5千公顷,增长0.3%,连续三年实现增长。

  上半年中国经济发展“新新”向荣

  今年前五个月,社会消费品零售总额累计值达到18.76万亿元,同比上升9.3%。专家表示,与此前相比,上半年以来,我国居民消费总量正在恢复到常态水平。

  香港致富证券首席经济学家 肇越:实际社会商品零售总额反映出来的消费情况基本恢复到了常态,(此前)受到冲击比较大的餐饮行业也得到了明显改善。

  专家表示,服务性消费在总体中的比重上升,这体现出消费者对高品质和个性化消费的需求不断提升。随着经济温和复苏和新一轮稳增长措施的进一步发力,未来消费对经济的促进作用还将持续显现。

  北京大学光华管理学院营销系教授 彭泗清:居民的消费结构在变,在转型升级。服务消费比重在不断提升的时候,其实对于中国产业,比如说第三产业服务业本身的提质升级也是非常有帮助的。我们要运用更多的新技术,开拓更多的新的消费场景和运用新的消费模式,让消费者有更好的新的体验和享受。

  数据显示,今年前5个月,全国固定资产投资同比增速4.0%。从分项上看,电气机械和器材制造业同比增速达38.9%,电力、热力、燃气及水生产和供应业同比增速达27.6%,汽车制造业同比增速达17.9%,铁路运输业同比增速达16.4%,均远高于全国平均水平,也较此前有明显增长。专家表示,这些数据充分反映出,当前我国的政策导向和产业升级的引导作用已经在重点行业显著发挥,在未来,重点行业头部企业的引领带动效果还将持续显现。

  清华大学全球产业研究院首席专家 何志毅:能够带动整个产业链,形成产业集群,形成整个产业欣欣向荣的场面。

  长期趋势仍旧向好 理性看待短期调整

  专家表示,目前中国经济处在转型的关键时期,经济发展更加注重质量和效益,在这过程中,转方式、调结构,将带动生产要素进行重新配置,这势必在短期内带来包括人员流动、企业转型等调整。从长远发展上看,经历这些变化,将持续改善中国经济发展的动能,有助于高质量发展。

  香港致富证券首席经济学家 肇越:对于这些调结构带来的变化,要有科学的和全面性的认识。通过结构的调整带来动能的调整,才能保证(经济)未来持续增长。 【编辑:孙静波】

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