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•歐洲太空總署預計於明年發射新一代太空望遠鏡「歐幾里德」，用以研究暗物質及暗能量。
• 宇宙誕生之初，宇宙的溫度、密度、壓力非常高，且物質分布均勻，僅有微小的密度差異。但在重力的影響下，有些地方的密度越來越高，形成星系與星系團。而這些過程與暗能量、暗物質息息相關。
• 歐幾里德太空望遠鏡將利用「弱重力透鏡」與「重子聲學震盪」，讓天文學家能更精確地測量暗能量與暗物質的性質。

暗物質（dark matter）與暗能量（dark energy）的本質是物理界的兩大未解謎團。

物理學家相信它們主宰著宇宙百億年來的演化，卻對它們的真身所知無幾。對此，粒子物理學家建造粒子加速器和形形色色的偵測器，嘗試直接創造或捕捉它們經過時留下的一點蛛絲馬跡；而天文學家則仰望深邃的夜空，嘗試觀察它們對宇宙造成的影響，反推出暗物質與暗能量的性質。預計在明（2023）年，歐洲太空總署（ESA）將發射新一代太空望遠鏡「歐幾里德」（Euclid），幫助物理學家探秘宇宙的黑暗面。

如何從天文觀測研究暗物質與暗能量？

藉由天文觀測來研究暗物質與暗能量，聽起來好像很厲害，但實際上究竟是怎麼一回事呢？這得從目前天文學家對宇宙的認知開始講起。

宇宙誕生之初的數十萬年間，其溫度、密度、壓力都非常高，而且物質的分布相當均勻，僅有微小的密度起伏。但慢慢的，這些微小的密度差異，在重力的影響下被不斷放大，使得有些地方的密度越來越高，形成星系與星系團；而有些地方的密度則越來越低，形成巨大的空洞，最終長出猶如蜘蛛網般的宇宙大尺度結構（圖一）。

圖一：宇宙誕生之初，物質的分布相當均勻（左），僅有微小的密度起伏。
但在重力的吸引下，原本微小的密度差異會被逐漸放大（中），演化成為蜘蛛網般的大尺度結構（右）。
（Volker Springel, Max-Planck-Institute for Astrophysics）

這個過程深受暗能量與暗物質的特性影響。不同的暗物質與暗能量理論，會對宇宙膨脹的快慢、大尺度結構的演化、星系的數量等給出不同的預測。而天文學家想做的，就是藉由大量觀測宇宙中星系的分布，反推出宇宙的膨脹歷史和大尺度結構的演化過程，再與理論比較，就能夠知道哪個理論才是正確的。因此，能夠觀測的星系樣本越多，便能看到越遙遠而古老的宇宙，天文學家就可以越精確地了解暗物質與暗能量的性質。

數十年來，天文學家已經建造了許多望遠鏡進行這些工作。比如大名鼎鼎的「史隆數位巡天」（Sloan Digital Sky Survey, SDSS），從2000 年至今已經累積拍攝了數千萬個星系的龐大資料庫，對宇宙學研究有非常大的貢獻。而歐幾里德太空望遠鏡，將以「弱重力透鏡」（weak lensing）與「重子聲學震盪」（baryon acoustic oscillations, BAO）為主要的科學目標。

弱重力透鏡是什麼呢？大家可能都聽過，物質與能量會扭曲周遭的時空，而光線經過這些彎曲的時空時就會受到偏折，稱為重力透鏡效應（gravitational lensing）。天文學家將重力透鏡效應分成「強重力透鏡」（strong lensing）、「弱重力透鏡」（weak lensing）、「微重力透鏡」（micro lensing）。強重力透鏡，顧名思義，就是效果很強，肉眼就能輕易辨認的重力透鏡效應。在星系團等大質量天體的重力影響下，背景遙遠星系的影像會被拉扯成細長的弧形，或是分裂成多個影像。……【更多內容請閱讀科學月刊第628期】