歐幾裡得探測器的星空之解:探索黑暗宇宙的奧秘
歐幾裡得號已經找到了它”丟失”的導引星,一個軟體補丁解決了它的導航問題,未來六年的觀測時間表也已經重新設計,以避免陽光的誤射:有趣的調試階段結束了,歐幾里德號現在將在完全的”科學模式”下進行最後的測試。
藝術家對歐幾里德太空任務的印象。歐幾裡得”號的設計目的是放眼遠方,回答有關我們宇宙的一些最基本的問題: 暗物質和暗能量是什麼?它們在宇宙網的形成過程中扮演了什麼角色?這項任務將通過其靈敏的望遠鏡掃描整個天空,對數十億個遙遠的星系進行編目。圖片來源:歐空局
幾個月來,歐空局的暗宇宙探測器一直不太正常。它順利抵達拉格朗日2 點,聚焦望遠鏡鏡面,並捕捉了第一批令人著迷的測試影像。然而,很快人們就發現,這次任務遇到了一些小麻煩。
最令人擔憂的是歐幾裡得的精細導引感測器,它有時找不到導引星–這是飛行任務精確指向所需的天空區域的基礎。
太陽活動頻繁時會噴射質子,這些質子間歇性地撞擊感測器的偵測器,產生的訊號被感測器誤認為是真正的恆星。在較小程度上,雜散的陽光和X 射線也會幹擾歐幾里德觀測儀器。
歐幾裡得”採用”一步一盯”的方法掃描夜空,將不同的測量結果結合在一起,形成迄今為止在可見光和近紅外線波段進行的最大規模的宇宙學觀測。每次”盯”,歐幾里德望遠鏡都會指向天空中的一個位置,對這個位置周圍約0.5 平方英寸的區域進行成像和光譜測量。每次”凝視”之後,望遠鏡都會移動(或”步進”)到一個新的位置。圖片來源:歐空局
調試階段”是在地球上設計和測試的飛行任務與太空現實相遇的時期–總會有磕磕碰碰和意想不到的曲折。在這一階段,歐空局任務控制中心的團隊12小時輪班工作,為歐幾裡得提供全天候服務,與科學家和工業界合作,為太空船進入新環境和執行任務做好準備。
經過全歐洲團隊令人難以置信的努力和智慧–包括無數個漫漫長夜–歐幾里德的精細導引感測器已經完成了更新,並在軌道上進行了十天的測試,一切都很順利。在找到了引導星之後,歐幾里德號現在將全面進入最重要的性能驗證階段;這是它在黑暗宇宙中放飛之前的最後一次測試。
歐空局歐幾里德號揭開黑暗宇宙面紗任務的直徑為1.2 公尺的主鏡,在組裝、整合和測試過程中看到。利用這面鏡子,太空船將繪製出遠在100 億光年之外的數十億星系的三維分佈圖–超越銀河系,為約三分之一的可觀測宇宙成像。透過揭示宇宙的大尺度結構及其膨脹模式,這項任務將揭示佔宇宙95%的神秘暗能量和暗物質。圖片來源:空中巴士公司
歐幾里德的精細導引感測器(FGS)是歐洲全新開發的儀器,它負責確保任務精確定位,完成為期六年的巡天任務所需的所有”迴轉”(旋轉)。
FGS 是一種機載儀器,配備有光學感測器,可從歐幾里德可見光儀器(VIS)的”視野”兩側對天空進行成像。感測器利用導引星進行導航,並將這些數據輸入太空船的姿態和軌道控制系統,以確定望遠鏡的方向並保持其精確指向。
在發射前,感測器經過了嚴格的測試,但沒有什麼能與真實太空條件下的真實天空相比。宇宙射線–來自宇宙和太陽耀斑的高能量輻射有時會在歐幾里德觀測中出現”偽影”或虛假信號。這些虛假訊號的數量間歇性地超過了真實恆星的數量,歐幾里德感測器無法分辨出導航所需的恆星模式,這導致了一些有趣的觀測結果。
朦朧的星軌顯示了歐幾里德精細導引感測器(FGS)間歇性失去其引導星的影響。精細導引感測器(FGS)是一種星載儀器,配備有光學感測器,可以從歐幾裡得可視儀器(VIS)的”視野”兩側對天空進行成像。感測器使用導引星進行導航,並將這些數據輸入太空船的姿態和軌道控制系統,以確定方向並保持望遠鏡的精確指向。圖片來源:ESA / Euclid Consortium / TAS-I, CC BY-SA 3.0 IGO
最”蹩腳”的畫面顯示了歐幾里德在觀測星域時未能鎖定位置的極端情況,結果出現了星軌漩渦和”拉索”的圖像,因為航天器試圖鎖定目標。顯然,要想揭示遙遠星系和星團中難以察覺的微妙圖案,這是不可能的。研究小組開始想辦法解決這個問題。
為了解決這個問題,研究小組開發了一個軟體修補程式。首先在地球上用歐幾裡得電動模型和模擬器進行了測試,然後在軌道上進行了為期十天的測試。隨著越來越多的恆星顯現出來,我們看到了積極的跡象。
“我們的工業合作夥伴–泰雷茲阿萊尼亞航太公司和李奧納多公司重新回到繪圖板上,修改了精細導引感測器辨識恆星的方式。經過一番努力,我們在創紀錄的時間內獲得了安裝在航天器上的新的星載軟體,”Euclid 航天器運行經理Micha Schmidt 解釋說。
歐幾里德號發射前簡報在歐空局任務控制中心完成。圖片來源:歐空局
“我們在真實的飛行條件下一步一步仔細測試了軟體更新,並聽取了科學運營中心對觀測目標的實際意見,最終我們獲得了重新啟動性能驗證階段的許可。
Euclid 專案經理Giuseppe Racca 補充說:”8 月份中斷的性能驗證階段現已全面重啟,所有觀測工作都在正常進行。這一階段將持續到11 月下旬,但我們相信,任務的性能將被證明是出色的,此後就可以開始定期的科學考察觀測了”。
這是一幅藝術家印象圖,描繪了宇宙早期(不到10 億歲)的樣子,當時宇宙正經歷著恆星形成的狂暴時期,原始氫以前所未有的速度轉化為無數恆星。那時的天空與今天我們周圍靜止的星系海洋截然不同。天空中充滿了原始星爆星系。巨大的橢圓星系和螺旋星系尚未形成。在星爆星系內部,熾熱的藍色恆星像爆裂的焰火一樣來來去去。新星誕生的區域在紫外線輻射下發出強烈的紅光。質量最大的恆星自爆成為超新星,像鞭炮一樣在天空中爆炸。右下角的一個前景星爆星係被超新星爆炸產生的熱氣泡和洶湧的恆星風所雕刻。這些星系中的塵埃很少,因為恆星還沒有透過核合成製造出較重的元素。天文學家認為,宇宙中的第一批恆星是在恆星形成的突然爆發中出現的,而不是以漸進的速度出現的。來源:A. Schaller(STScI)
歐幾裡得號的任務是回答我們關於宇宙本質的一些最基本的科學問題:難以捉摸的暗物質和暗能量是什麼?廣義相對論在宇宙尺度上的有效性如何?宇宙大爆炸之後是如何形成的?
歐幾里德巡天將觀測整個天空的三分之一,回溯到100 億年前,幫助我們了解早期宇宙的物理學和宇宙結構的形成。
透過以前所未有的精確度測量數十億年宇宙歷史中數十億星系的形狀,歐幾里德望遠鏡將提供宇宙中暗物質分佈的三維視野。星系在宇宙時間中的分佈圖將讓我們了解影響宇宙大尺度結構空間演化的暗能量。
歐空局的歐幾裡得飛行任務將繪製一幅宇宙三維地圖,科學家將利用這張地圖測量暗能量和暗物質的特性,揭開這些神秘成分的本質。該地圖將包含大量數據,它將涵蓋三分之一以上的天空,其三維空間將代表跨越100 億年宇宙歷史的時間。圖片來源:歐空局/歐幾里德聯盟/Cacao Cinema
為了實現這一目標,Euclid 擁有迄今為止發射的最精確、最穩定的望遠鏡之一。它將為我們的宇宙提供銳利的圖像和深邃的光譜,在為期六年的任務期間,它每75分鐘就會改變一次焦點–‘指向’超過4萬次。
歐空局科學部主任卡羅爾-蒙代爾(Carole Mun DELL)總結說:”我要感謝我們所有參與成功完成具有挑戰性的調試階段的專家團隊,包括歐幾里德財團、工程師和工業界。現在到了在類似科學條件下測試Euclid的激動人心的階段,我們期待著它的首批圖像,展示這項任務將如何徹底改變我們對暗黑宇宙的認識。”