神秘的暗能量 

上个世纪20年代，天文学家发现我们的宇宙并不像过去所认为的那样是静态的，而是在膨胀。到了1998年，天文学家更是惊讶地发现，宇宙不仅是在膨胀，而且是在加速膨胀。

为什么宇宙会加速膨胀？这是物理学中一个巨大的谜团。一种可能是，爱因斯坦的广义相对论需要在更大的尺度上进行修正；另一种可能是，某种未知的”暗能量“在驱动着宇宙的加速膨胀。物理学家认为，暗能量很可能是爱因斯坦曾经为了保持一个静态宇宙而在方程中引入的宇宙学常数（用“Λ”表示）。尽管许多人相信宇宙中存在暗能量，但到目前为止没有人知道它的真正本质。

位于亚利桑那州基特峰国家天文台的暗能量光谱仪（DESI）。凭借着DESI配备的5000个微型机器人“眼睛”，研究人员能够看到110亿年前的宇宙。仅在第一年，DESI就在数量和质量上超过了以往所有同类测量。（图/Marilyn Sargent/The Regents of the University of California, Lawrence Berkeley National Laboratory）

为了研究暗能量在过去110亿年里的影响，天文学家根据暗能量光谱仪（DESI）的第一年数据，以前所未有的精度绘制了星系和类星体，创造了迄今为止最大的宇宙3D图。研究人员发现，有迹象表明暗能量可能随着时间的推移而变化。

因参与发现暗能量而荣获诺贝尔奖的亚当·里斯表示：”如果这是真的，这将是25年来我们获得的关于暗能量本质的第一个真正的线索。“

  回到过去 

地球位于这张DESI的宇宙3D图的中心。放大区域显示了星系和巨洞的分布。（图/Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro）

从DESI绘制的图中，我们可以很容易地看出宇宙的基本结构——呈链的星系聚集在一起，被只有稀少天体的巨洞隔开。但远远超出了DESI视野的早期宇宙是完全不同的。那时，宇宙是一个由亚原子粒子组成的高温且稠密的汤，那些粒子的运动速度太快，无法形成像原子那样的稳定物质。这些粒子中有氢核和氦核，它们统称为重子。

这种早期的电离等离子体的微小涨落造成了压强波，推动了重子，使它们形成一种就像将一把石头扔进池塘里一样的涟漪模式。随着宇宙的膨胀和冷却，中性原子得以形成，压强波被中断，将涟漪冻结在三维空间中，并在稠密区域增加了未来星系的聚集。数十亿年后，我们仍然可以在星系间的特征中看到这种微弱的3D涟漪，或者说气泡——这种特征被称为重子声学振荡（BAO）。

重子声学振荡是测量宇宙膨胀的宇宙标尺。（图/Claire Lamman/DESI collaboration and Jenny Nuss/Berkeley Lab）

研究人员使用BAO测量作为一种宇宙标尺。通过测量这些泡泡的表观大小，他们可以确定造成了这种极其微弱的模式的物质的距离。绘制远处和近处的BAO气泡分布图，可以让研究人员将数据分割成块，进而测得宇宙在过去每个时间点的膨胀率，模拟暗能量是如何影响宇宙膨胀的。

利用星系是一种用来测量膨胀史和更好地理解暗能量的方法，但它所能做到的有限。在一定程度上，来自典型星系的光会过于微弱，所以研究人员转向类星体，也就是那些具有中心黑洞的、非常遥远、明亮的星系核。类星体发出的光在穿过星系间气体云时会被吸收，这使研究人员能够绘制出物质稠密的区域，并以一种被称为“莱曼α森林”的技术对它们加以使用。

类星体穿过星系间的氢气云发出的光，研究人员可以通过分析这些光来了解遥远的宇宙结构。（图/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld and DESI collaboration）

研究人员使用了45万个类星体，这是为莱曼α森林测量收集到的最大类星体集合，能够将BAO测量一直延伸到110亿年前。

  暗能量不是宇宙学常数？

宇宙学的标准模型被称为ΛCDM。——其中“Λ”表示暗能量（也就是宇宙学常数），“CDM”代表的则是“冷暗物质”。这个模型很好地描述了以前实验的结果以及宇宙在时间中的样子。

然而，当把DESI第一年的结果与其他研究（包括CMB或Ia型超新星）的数据相结合时，研究人员发现了与ΛCDM预测的结果之间的一些微妙差异。简单来说，暗能量可能会随着时间的推移而略微减弱。

如果暗能量在减弱，那么它就不可能是宇宙学常数，而可能是一种“标量场”。这种场可以用一定量的能量填充空间，这些能量起初看起来是恒定的——就像宇宙学常数一样，但最终会随着时间的推移而开始变化。

就置信水平而言，通过将DESI和CMB的数据相结合所得到的结果相当于2.6σ。当把超新星数据也囊括在内时，这个置信水平仍然得以大致保持在2.5σ，甚至增加到3.5σ或3.9σ，具体取决于使用的是哪些特定的超新星数据集。

想象一下抛硬币100次，合理的预测是会得到50次正面和50次反面。如果得到60次正面，那么距离均值为2σ，出现这种情况的偶发（不是被操纵的硬币）几率为1/20。如果得到75次正面，那么随机发生的概率就是200万分之一，是一个5σ结果——这是宣布物理学发现的黄金标准。DESI得到的σ值介于二者之间，它们极有可能是罕见的统计波动，也有可能是暗能量正在变化的真实证据。

随着在为期五年的调查中，DESI将收集到更多的信息，这些早期的结果将变得更加精确，从而揭示这些数据是否指向了不同的解释，还是说我们需要更新模型。更多的数据也将改善DESI的一些其他早期结果，包括哈勃常数和中微子的质量。

#参考来源：

https://newscenter.lbl.gov/2024/04/04/desi-first-results-make-most-precise-measurement-of-expanding-universe/

#图片来源：

封面图&首图：DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek/R. Proctor