Euclid:测量宇宙几何形状的空间卫星


今天给大家介绍的是昨天astroph上面的一篇文章,不过略微不同的是这不是一篇科学论文,也不是会议综述,而是一个未来空间天文项目的立项调研,这个项目就是ESA主导,在Nobel物理学奖宣布的那天成功获得立项的Euclid,欧几里德空间卫星,巧合的是,这颗卫星的任务就是通过大试场的宇宙学巡天进一步研究暗能量的性质和宇宙的几何形状等重要问题;文章很长,我也没有看完,不过推荐给想了解这方面基础知识的同学看看其介绍部分,另外,也借这个机会介绍一下Euclid的基本信息

文章:Euclid Definition Study Report

  • 作者:Editorial Team: R. Laureijs, J. Amiaux, S. Arduini, J.-L. Auguères, J. Brinchmann, R. Cole, M. Cropper, C. Dabin 等
  • 论文索引:astro-ph/1110.3193
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

背景知识


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图1:Euclid调研报告的扉页题图,图中低头测量宇宙的大哥就是欧几里德,这个看上去很残疾的独臂独腿形象实际上来自拉斐尔的名画“雅典学院”,很牛逼的

如果说要总结有多少种天体物理学工具能带来宇宙学测量可能需要太长的篇幅了,已经拿到Nobel奖的就有宇宙微波背景辐射和高红移SNIa两个了,此外,在大视场巡天变得被大家熟悉以后,弱引力透镜(WL)和重子声学震荡(BAO)测量也展示了很好的前景,此外,星系团,高红移GRB等新兴的宇宙学工具也可能在未来带来新的惊喜;不过这些工具其实也都有各自的问题,WL测量需要空间望远镜的分辨率和深度,又需要尽可能大的视场覆盖,减少Cosmic Variance的影响;BAO也有类似的问题,而且,BAO需要星系的红移测量,在高红移处,地面观测只能利用窄带测光或者有限宽度的光谱寻找有明显Ly_{\alpha}发射线的星系,且不说这样的选择有多大的bias,光是估计和排除低红移星系的发射线比如[OII]\lambda 3727,3729 \AA线的干扰就已经很让人头疼了,另外,在很多情况下,WL和BAO测量都需要做一定的妥协,使用测光红移,如果得到一个很好的对比光谱红移,得到测光红移精确度和误差估计的样本也是问题;最后,所有这些方法,在估计宇宙学基本参数的时候都有自己的限制,或者是物理信息上的简并,目前看来,只有把他们结合在一起的时候才能得到比较可靠的估计,但是不同的方法做出观测的条件各不相同,样本选择方法各异,如何让人放心的结合在一起,也是一个不小的问题;这样看来,一架工作在大气层外的中等口径,大视场,多波段,其中要以近红外波段为主,最好再有光谱确认观测能力的设备将会非常适合进行宇宙学的工作,因为这样的设备可以在巡天中进行相同条件下的WL和BAO
测量,而且为发现高红移超新星和利用高红移星系团进行宇宙学研究留出了可能,这会不会太梦幻了?不,不再是了,只需19999.99,您就可以马上拥有。。。刚刚在ESA成功立项为下一代Cosmic Vision M级别(中等)项目的Euclid卫星就刚刚好是这样的设备。


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图2:Euclid的设计概念图,和另一个ESA卫星Hershcel有些相似

Euclid项目明确的提出了对宇宙的几何形状,加速膨胀等基本问题进行研究,这也是位什么他们选择了Euclid这位几何学先驱来做形象代言;Euclid是一架空间巡天卫星,通过对很大天区覆盖的深场巡天,能够对宇宙近100亿年来的演化进行研究,根据现在的估计,这个研究范围已经包含了75%的宇宙年龄;利用高精度的近红外成像观测,Euclid可以精确的测量到红移大于2处的星系的基本形状,主要是椭率,通过结合大量星系的观测,得到高红移星系受到其到我们视线方向上的物质分布不均匀性的影响产生的形状扭曲;而BAO测量则是利用了星系成团性尺度中蕴含的一个标准尺度信息来研究宇宙膨胀的历史,目前的BAO研究仅限于比较临近的星系,能够延伸到稍微高一些红移处的都还有上面提到的问题,而Euclid的近红外光谱观测能力可以把BAO测量精确的延伸到z>0.7处;当把这两种测量结合在一起的时候,宇宙学家估计Euclid有能力把反应暗能量性质的状态方程常数确定到0.02的1\sigma误差以内,而且不仅如此,还有望把状态方程的时间变化确定到0.1的1\sigma误差内,应该说对了解暗物质的本质会有很大的帮助;而且和高红移SNIa的测量一样,Euclid也可以给出宇宙学膨胀速率演化的高精度估计,这个测量可以作为广义相对论的基本检验,有效的把他和其他各种引力理论区分开来。除了这些,利用Euclid得到的宇宙暗物质结构的分布和特征尺度,天文学家还可以给出暗物质组成的估计,对,比如,中微子质量对宇宙物质质量的总贡献的上限做出估计;和目前正在工作的ESA卫星Planck联手,结合来自不同宇宙时期的物质分布的信息,可以给出宇宙形成时初始扰动功率谱的估计,并尝试从观测上区分开现在林林总总的暴涨模型。在Euclid的主要战场之外,他也可以留下一笔不小的遗产,简单的说大量的高红移星系和星系团的成像加光谱观测会给未来大望远镜,包括地面和空间的工作在不同波段的,提供难以估量的有趣天体进行各种后续观测。总之,Euclid很值得期待,很值得期待。

Euclid简介

虽然现在刚刚立项,但是丝毫不妨碍我们稍微了解一下Euclid的设计能力,下面就简单的给大家介绍一下:

Euclid将携带一架1.2m口径的Korsch设计的望远镜,这个特殊的三镜面设计可以得到一个比较大的平坦视场,使得平面结构的探测器得到的像在中心和边缘没有尺度差别和畸变,这个是进行弱引力透镜测量所必须的,JWST望远镜也采用了这样的设计,基于这样的设计,Euclid可以得到0.54平方度的视场,了解目前地面和空间望远镜设备观测视场的同学应该知道,这是一个很可怕的数字;在望远镜的终端,一个半透过滤镜把收集的辐射分成两束,同时提供给个两个设备,其中反射光进入光学波段成像设备VIS,透过辐射则提供给近红外观测设备NISP;VIS是一个光学多波段观测设备,其探测器是36个4Kx4K的CCD组成的阵列,能在V,R,I三个波段进行观测,提供每像素0.1角秒的像元尺度,结合0.2角秒半宽的PSF,可以很好的进行星系形状的测量;NISP是一个近红外观测单元,工作在1.1-2.0微米波段上,能够提供成像和无缝视场光谱两种观测模式,设备由16个2Kx2K的红外HgCdTe探测器组成,提供了0.3角秒的像元尺度,在成像模式下,能够进行Y,J,H三个波段的成像观测,光谱观测利用的是相同的探测器,工作在同样的波段上,能够提供 \lambda/\delta\lambda=250的光谱分辨率。


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图3:Euclid的VIS设备光学表现的模拟

根据目前的设计,Euclid将进行大视场和深场两个巡天项目,大视场巡天下,Euclid将覆盖15000-20000平方度的天区,光学和近红外观测将同时平行展开,对一个观测场按照一定的序列改变观测波段,每个观测按照一定的dither模式拍摄4幅图像;在深场巡天中,Euclid计划观测至少两个大于10平方度的天区,并得到比宽场深至少两个星等的数据,在光学波段能够达到24.5星等的10\sigma探测,在近红外波段也能得到24星等的10\sigma探测;Euclid预期会在2018年前后发射,将会在地球和太阳系统的第二拉格朗日点进行为期7年的观测。在这种观测设计下,根据估计,针对Weak Lensing测量,Euclid应该可以在每平方角秒的天区中测量超过30个有空间分辨的星系的形状,结合Euclid自己的光学和近红外波段,再加上可能的地面巡天项目,比如Pan-Starr,KiDS,DES等,可以提供比较准确的测光红移;对于BAO测量,根据Euclid的光谱覆盖和分辨率,应该可以在探测极限以上得到5000万个星系的光谱红移测量,其中大部分可能依赖的是H_{\alpha}发射线的测量,完备率应该可以达到45%以上。


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图4:Euclid卫星7年巡天的天区覆盖设计

关于Euclid的更加具体的信息,还是要大家自己探索吧,不过这里可以给大家提供几个有用的链接,一个就是这篇文章的高分辨率版本,还有一个更加技术化的项目研究总结文献;此外,如果这个文章过于枯燥的化,Euclid网站上还提供了他们2009年一个项目会议上面的所有报告文件,看这些presentation显然要更有趣一些吧。

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12 Replies to “Euclid:测量宇宙几何形状的空间卫星”

  1. Han

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    只需19999,马上行拥有。。。。。。。。
    话说这个设备做出来的是干嘛的呢?这么强劲的参数,为了测量宇宙的几何外形?还有啊,什么叫做dark universe?麻烦学长帮忙解释一下。。。

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