撕裂宇宙的暗能量，如果在减弱……？|《自然》长文

原文作者：Davide Castelvecchi

宇宙的命运可能并没有宇宙学家们长久以来猜想的那样黑暗空寂。日前，一个创新项目绘制了若干有史以来最大的宇宙地图，显示出了这么一种可能。

2024年4月上旬，美国物理学会在萨克拉门托举行的会议中，研究人员发布了暗能量光谱仪（DESI）的初步成果。DESI位于美国亚利桑那州基特峰国家天文台，2020年起投入宇宙3D测绘工作，用于测量分开星系的无形能量（所谓暗能量）。

这些初步成果令人吃惊地表明，暗能量可能正随时间推移而减弱。

“这着实说明可能会有事情发生。”美国劳伦斯伯克利国家实验室的宇宙学家、DESI发言人Nathalie Palanque-Delabrouille说。

暗能量在减弱的种种迹象一旦证实，将会为人们已普遍接受了几十年的宇宙理论模型带来首次剧变。而且，如果暗能量不是恒定的，则这一事实可能影响多种关于宇宙演进、未来如何的理论。

但是，研究人员认为，暗能量发生变化的证据仍然非常不确定。2024年4月15–16日，英国皇家学会在伦敦召开了一次宇宙学会议，绝大多数与会人员都坚决持这种观点。大多数宇宙学家都认为，标准宇宙模型仍然坚挺——而且变得越来越好。

美国芝加哥大学的天文学家Wendy Freedman表示，暗能量减弱的迹象“很诱人”，但她补充说，确凿验证需要远为大量的数据。“它们能否经历时间的考验，唯有时间能解答。”

总的来说，宇宙是由引力支配的；在爱因斯坦的广义相对论下，引力可以是相斥的，也可以是相吸的。虽然普通形式的能量——这种能量包含了物质的质量——会产生吸力，但广义相对论也预言，一些形式更特殊的能量可能产生斥力。

暗能量发现于1998年，当时两个天文学团队利用了多个遥远星系中的若干超新星爆炸，测量了宇宙扩张速率的变化过程。其研究结果显示，该速率随时间推移逐渐增加，这是由于受到了某种不可见的斥力推动——后来被称为暗能量。这一名称意在呼应同样扑朔迷离的实体“暗物质”——无法看到，但可通过它对星系的引力影响来测量。

发现暗能量依据的是这些1998年的数据，这些数据的误差线（error bars）很大，且这些误差线与一个简单至极的假设相一致：暗能量在空间中是均一传播的。因此，暗能量又被称作“宇宙学常数”（cosmological constant，简写作Λ）。于是，围绕名为“Λ-冷暗物质模型（Λ cold dark matter, ΛCDM）”的理论，人们形成了共识。据该理论，在很大程度上，宇宙史就是暗物质的吸引力和暗能量的斥力相互角力的结果。

迄今为止，除了一些尚未能得到解释的小偏离外，宇宙学家收集到的所有证据都加强了这个ΛCDM模型。这一模型的黄金标准于2013年由欧洲空间局（ESA）普朗克任务（Planck）确定，该探测器测绘了早期宇宙遗留的辐射，并称之为宇宙微波背景。高级Planck研究员、英国剑桥大学宇宙学家George Efstathiou称，该探测器发回的数据与该模型“严丝合缝”。普朗克探测器发现，当今宇宙中的70%为暗能量，25%为暗物质，只有5%为常规物质——构成恒星、行星和人的物质。

ΛCDM的标准假设是，宇宙的扩张会持续加速，大多数星系最终都会从视野中消失。但是，关于暗能量，理论家们已经提出了另外数百种模型，其中许多假定暗能量正在缓慢被稀释，宇宙的扩张也将随之开始减缓。还有一种假设是，暗能量正在增强，最终会将星系撕裂。

长久以来，由于观测得到的线索太过模糊，关于暗能量，人们甚至连最基本的问题都无法回答：它的确切强度是多少？它是恒定不变的，还是缓慢变化的？新一代的种种实验中，DESI是第一个旨在给出一些回答的。其它同类实验还有欧空局的欧几里得探测器（Euclid mission），2023年发射升空；口径达8米的大型望远镜薇拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory），坐落于智利安第斯山脉，竣工在即；美国航空航天局（NASA）的南希·格蕾斯·罗曼太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope），计划于2027年发射。此外，搭载在俄罗斯、德国合作的空间探测器上的 eROSITA望远镜，也用X射线光谱对宇宙做了测绘。

“这样的项目有一大批，有的即将开始采集数据，有的则刚开始。”Palanque-Delabrouille在英国皇家学会会议上说。“在宇宙学史上，这可真是绝无仅有。”

所有这些项目靠的都是在相当辽阔的距离跨度内绘制宇宙的物质分布，而鉴于光到达地球所需的时长，这也意味着跨越相当久远的时间测量物质分布。不同于普通的望远镜相机拍摄宇宙照片的方法，DESI的办法是从视野中选取若干点位，进行光的采集，采集方法是，用5000条机械臂把光学纤维指向采集目标（主要是星系或类星体），把光导向敏感的摄谱仪。从每个目标的光谱即可得出其距离，因为目标的距离越远，远离的速度就越快，其光谱也就越发“红移”（redshifted）向波长更长的一端。

为了利用其3D数据重构宇宙的扩张史，DESI团队采用了宇宙学中一项最成熟的技术——他们考察了声波在原始宇宙中存留的遗迹。

随着时间的推移，空间扩张了，物质冷却了，这些波凝固在了全宇宙散布的质子与中子（合称重子）中。这些痕迹称为“重子声学振荡”（BAO）。如今从星系如何散布于宇宙的方式中仍然可探测到BAO。

BAO特征是宇宙中最大的结构。“如果我们能逐个看到它们，我们会看见一个外壳。”Palanque-Delabrouille解释说，“就像往水里扔石子一样，一次扔一颗，会看到水波一圈圈往外扩；一下子扔太多，每一颗激起的涟漪就会相互重叠。”

DESI不仅能观看当今宇宙中的一个个BAO。它的3D地图做了时间维度上的回溯，通过测量这些BAO的平均尺寸随时间增长的情况，宇宙学家便可重新推算扩张速度——由此推算暗能量的强度。DESI得到的成果在原则上仍然与种种可能性并行不悖——存在一种暗能量，它或许是恒定的，或许在变弱，甚至可能在变强。

英国伦敦大学学院宇宙学家Ofer Lahav参与了DESI协作，他说，在最基本的层次上，DESI的成果为最初的发现提供了坚实的证明。“我觉得，能够证实宇宙在加速，而且大致就是人们25年前宣布的数值，简直太棒了。”

“这些器材、数据和测量工作都很了不起。”美国约翰·霍普金斯大学理论宇宙学家Marc Kamionkowski说。

Kamionkowski表示，对于把这些结果理解为暗能量在减弱的迹象，自己持谨慎态度。他表示，这些结果也可能是研究团队采用特定分析类型造成的影响。英国牛津大学理论物理学家Pedro Ferreira同意这个看法。他引用去年自己和同事William Wolf合作发表的一篇文章，该文呼吁宇宙学家转变阐释暗能量数据的思路（见W. J. Wolf and P. G. Ferreira Phys. Rev. D 108, 103519; 2023）。他补充说对即将开展的高能研究能否为暗能量奠定理论模型，他的态度是悲观的。

但研究人员仍怀抱希望，希望更多新数据会指向新的方向。

英国谢菲尔德大学的宇宙学家Eleonora Di Valentino认为，标准模型是极尽简单的宇宙理论模型，但其内涵的实际物理学可能要更复杂。“我不觉得ΛCDM就会是终极答案。”她说。

宇宙学家James Peebles是标准模型的主要建构者之一，这项成就为他赢得了2019年的诺贝尔奖。他也赞同这一看法。“很难想象ΛCDM就是结局了。”供职于美国普林斯顿大学的Peebles说，“它太过简单了。”