新發現星系寶庫，有助解開宇宙最深奧謎團！

歐幾里得在2024年進行的七天觀測期間，就已經發現了驚人的2600萬個星系，以及數百個其他奇特的天文現象。「這真是令人著迷。」歐洲太空總署科學總監（Director of Science）──天文物理學家卡羅爾．蒙德爾（Carole Mundell）如此表示。

這是歐幾里得釋出的第一批重大數據。科學家剛開始深入分析這些影像，就為之驚嘆不已。「我的第一個反應是它們太壯觀了！這將帶領我們踏上深入宇宙的旅程，」蒙德爾說：「但真正成就這一切的，是精湛的工程技術。」

這座太空望遠鏡如何憑藉精密的技術，加上人工智慧的輔助，讓科學家揭開暗宇宙的奧秘呢？

歐幾里得能解開哪些宇宙之謎？

在天文物理學中，有兩個最重大的未解之謎：兩者合計占宇宙總量95%的暗物質與暗能量，其本質究竟為何？它們又為何能如此影響宇宙？暗物質是一種我們尚未直接探測到的物質，它將星系及星系內部的恆星緊密束縛，更勝重力理論所能解釋。暗能量則是一種推動宇宙加速膨脹的未知力量。不過，近期的一些宇宙測量結果顯示，暗能量的影響可能隨時間減弱。

目前，科學家還無法直接探測暗物質和暗能量，因此他們選擇另一種方法：透過觀察星系的形狀、運動和位置，來繪製宇宙的結構。

歐幾里得的目標，是繪製它所發現的星系的形狀、大小和位置。這張地圖將幫助科學家揭開連接各個星系團的巨大物質網路「宇宙網」（cosmic web）的奧秘。Photograph by ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA

這正是歐幾里得的核心任務。這座望遠鏡的名稱來自希臘數學家歐幾里得（Euclid），他被譽為「幾何學之父」。歐幾里得太空望遠鏡於2023年發射，目前位於距離地球近160萬公里的重力穩定點。在接下來的六年內，它將研究全天三分之一的範圍，並反覆深入觀測稱為「歐幾里得深場」（Euclid Deep Fields）的三個特定區域，預計將發現數十億個星系。

「每個星系都很美麗，」英國太空總署首席科學家亞當．阿馬拉（Adam Amara）表示：「但我們設計歐幾里得的目的，並不是拍攝美麗的照片，而是為了進行困難的科學研究。」

在理想情況下，望遠鏡應具備三種能力：能夠觀測大片天區的寬廣視野，讓細節更加清晰的高解析度，以及可以探測最微弱遙遠星光的高靈敏度。「通常，我們最多只能選擇其中兩種，」蒙德爾說：「但歐幾里得是第一座能夠同時擁有這三種特性的望遠鏡，這正是它的強大之處。」

解讀暗宇宙的關鍵工具

歐幾里得尋找星系的能力，主要仰賴三項科學儀器。首先是口徑約1.2公尺的主鏡，它會收集來自遙遠星系的光線，然後透過類似稜鏡的濾鏡，將光線分為可見光與紅外線，再傳送到另外兩項專門的儀器。

其中一項是可見光相機（VIS）──這是一台超高靈敏度的6億像素相機，解析度比一般智慧型手機高50倍。它具備極寬廣的視野，且可進行超長時間曝光，因此能夠偵測到數十億個遙遠星系，並清晰呈現其形狀與特徵。

「歐幾里得已經拍攝的天空面積，是哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）過去25年來拍攝總量的好幾倍。」加拿大多倫多大學天文領域的機器學習專家麥可．沃姆斯利（Mike Walmsley）如此表示，他也是歐幾里得科學聯盟（Euclid Consortium）的成員。

另一項儀器是近紅外光譜儀與測光儀（Near-Infrared Spectrometer and Photometer，簡稱NISP）──這台高靈敏度相機除了可以拍攝紅外影像外，還能測量星系與地球的距離。科學家將歐幾里得的紅外光數據與可見光影像結合，在累積更多數據的同時，繪製出宇宙的三維地圖。

「結合這兩種儀器的觀測成果，讓我們能測試暗能量的影響。」歐洲太空總署的歐幾里得計畫科學家瓦萊麗亞．佩托里諾（Valeria Pettorino）表示。

宇宙已有138億年的歷史，而歐幾里得的先進技術讓它可以觀測到早在105億年前形成的星系。這表示「歐幾里得不僅是暗宇宙的偵探」，蒙德爾說道：「它也是一台時光機。」

放大觀察「歐幾里得深場」中的一隅，影像中可見貓眼星雲（NGC 6543）在群星與眾多星系之間閃耀光芒。這個星雲裡有一顆垂死的恆星，距離地球約3000光年。Photograph by ESA, Euclid, Euclid Consortium, NASA, image processing by J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. AnselmiESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA

歐幾里得發現了哪些類型的星系？

在歐幾里得記錄到的數百萬個星系中，包括了一系列遙遠的類星體──這些星系的核心擁有發出耀眼光芒的超大質量黑洞。「歐幾里得的影像極為清晰，比地面望遠鏡的解析度高了約五倍，這讓我們得以用全新的視角觀察星系。」沃姆斯利表示。

在歐幾里得的數據中，令宇宙學家著迷的另一種現象是「重力透鏡」（gravitational lens）。當一個大質量天體（例如含有大量暗物質的星系）位於另一個更遙遠星系的前方時，來自遠方星系的光線會被前景星系的重力扭曲，就像透過透鏡聚焦一樣。

這個稱為「重力透鏡效應」的過程，能夠揭露像歐幾里得如此強大的望遠鏡也無法直接觀測到的遙遠星系。在極少數情況下，繞過前景星系彎曲的古老光線，可能形成稱為「強透鏡」（strong lens）的明顯光學特徵。

在歐幾里得之前，天文學家在數十年的現代天文觀測以來，僅發現約1000個強透鏡。「結果歐幾里得只花了幾天，就找到500個，就這麼簡單，」阿馬拉說：「這太令人震撼了。」

歐幾里得望遠鏡在2023年9月的測試階段拍下了NGC 6505星系的影像。進一步研究顯示，望遠鏡捕捉到了一個清晰的強重力透鏡現象──愛因斯坦環。Photograph by ESA, Euclid, Euclid Consortium, NASA, image processing by J.-C. Cuillandre, G. Anselmi, T. Li

在這張愛因斯坦環的特寫影像中，來自一個距離地球約44.2億光年的星系的光，因重力扭曲而繞過距離僅5.9億光年的NGC 6505星系，形成一道圓形光環。Photograph by ESA, Euclid, Euclid Consortium, NASA, image processing by J.-C. Cuillandre, G. Anselmi, T. Li

在歐幾里得拍攝的NGC 6505星系影像中，可以看到「愛因斯坦環」（Einstein ring）這種強透鏡效應的典型例子：光線圍繞著遙遠的天體形成完整的圓環。這些強大的透鏡是研究暗物質的極佳工具，扭曲的光線可以讓我們得知前景星系中有多少尚不可見的暗物質。

阿馬拉預估，歐幾里得將在未來六年內發現數十萬個強透鏡，以及大量弱重力透鏡的例子。

利用人工智慧在星系海洋中導航

面對無數璀璨的天體，歐幾里得團隊一度感到不知所措。「當我們從最初的驚嘆與敬畏中回過神來時，才意識到：光靠一位天文物理學家，是無法獨自分析數百萬個星系的。」蒙德爾說：「而這就是人工智慧最厲害的地方了。」

人工智慧特別擅長識認模式。歐幾里得的科學家已經藉由一項名為ZooBot的人工智慧程式來分類星系。最近他們邀請了約10萬名志願者觀察星系影像，根據星系的形狀和特徵進行分類。ZooBot以這些人類的分類數據為基礎進行訓練，並分析歐幾里得首週的觀測數據。

「如果要靠人工來檢視這批歐幾里得新拍攝的高解析度星系影像，大約需要150年的時間。」沃姆斯利說。然而，ZooBot以極快的速度完成了這項工作，並根據星系的形狀、大小和特徵分類了超過38萬個星系。

未來還有更多資料等著處理，而歐幾里得已經開始提供數據。「我們每天接收超過100 GB的數據，」佩托里諾說：「到2026年底，我們將公開一整年的觀測數據，總量將超過2 PB──這相當於你用最高畫質看影音串流服務連續看31年。」

作家道格拉斯．亞當斯（Douglas Adams）曾經寫道：「宇宙很大，你無法想像它有多麼遼闊、巨大、令人難以置信地龐大。」這至今仍然適用。但現在，歐幾里得正在將這片浩瀚的虛空轉變為色彩繽紛、充滿星系的畫布。

「天空的範圍是有限的，」阿馬拉說：「而我們正逐步填補它的每一處。」

延伸閱讀：核彈的X射線能否拯救地球免於致命小行星威脅？ / 全球最大太空望遠鏡意外獲得新角色：小行星獵人