暗能量：被认定恒定，在宇宙中真会有变？

1992 年我完成博士学位时，宇宙充满了神秘——我们甚至都不清楚它究竟是由什么构成的。有人或许会认为，自从 20 世纪 60 年代发现宇宙微波背景（CMB）——也就是大爆炸的余晖以来，宇宙学家在理解这些基本事实方面进展不大。

完成博士学业后，我离开英国，前往美国开始研究工作，在那里我有幸被招募参与一个名为斯隆数字巡天（SDSS）的新实验。这项新的巡天调查融合了数字技术的进步成果，意在测量一百万个星系的“红移”（即如果光源看似远离你，光线就会变得更红）。

然后，这些红移被用于测量距离，并使宇宙学家能够绘制宇宙的三维结构。

20 世纪 80 年代，基于玛格丽特·盖勒（Margaret Geller）和约翰·赫克拉（John Huchra）开创性的 CfA 红移巡天，一个宇宙谜题在于我们宇宙邻域中星系以及物质呈现出显著的团块状。

重要的是要弄清楚这样的超星系团是如何从平滑的 CMB 中形成的，因为这能告诉我们宇宙中物质的总量，更有意思的是，还能知道这些物质是由什么组成的。这里假设唯一起作用的力是引力。

在 SDSS 的第一阶段结束之际，我们已经达成了测量一百万个红移的目标。这些数据被用于发现宇宙中的许多超星系团，包括令人惊叹的“斯隆长城”，它仍然是宇宙中已知的最大的连贯结构之一，长度超过 10 亿光年。

我很幸运能在世纪之交经历这个宇宙发现的惊人时代。像 SDSS 这样的巡天，与对 CMB 的新观测以及对被称为 Ia 型超新星（SNeIa）的遥远爆炸恒星的探寻相结合，共同为“宇宙是由什么构成的？”这个问题给出了一个有力的回答。

从 1999 年到 2004 年，宇宙学界达成一致，认为宇宙由 5%的普通（重子）物质、25%的暗物质（未知且不可见的物质）以及 70%的“暗能量”（一种膨胀力）构成——本质上是一个宇宙常数，这是爱因斯坦首先假设的。宇宙被这种恒定能量所主导这一发现令所有人震惊，尤其是因为爱因斯坦曾称宇宙常数是他“最大的错误”。

如今，宇宙学家仍然认为这是我们宇宙最有可能的构成。但像我这样的观测宇宙学家已经显著改进了对这些宇宙变量的测量，减少了这些量的误差。

来自暗能量调查（DES）的最新数据表明，宇宙的 31.5%为物质（暗物质和普通物质的组合），假设其为宇宙常数，其余部分则是暗能量。这次测量的误差仅为 3%。

更精确地了解这些数字，有望帮助宇宙学家理解宇宙为何是这样的。为什么我们预计如今宇宙的 70%是“暗的”（无法通过电磁辐射观测到），且与宇宙中的其他“物质”无关？

这种暗能量的起源依然是物理学所面临的最大挑战，即便经过了 20 年的深入研究。

和我一样，在过去的二十年中，一些宇宙学家的注意力被其他问题分散了。然而，2024 年可能是一个新发现时代的开始。今年，宇宙学家根据我们两个最好的宇宙学探测器发表了新的结果。

第一个探测器由被称作‘SNeIa’的爆炸恒星构成。由于这些恒星的质量范围较窄，其爆炸能够得到良好的校准，为宇宙学家提供了一种可预测的亮度，该亮度在很远的地方都能被观测到。通过将这些已知亮度的 SNeIa 与其红移进行比较，我们可以确定宇宙的膨胀历史。事实上，这些天体对于发现我们的宇宙正在加速膨胀至关重要。

第二个探测器的工作原理在于观察重子声学振荡（BAO）——在宇宙微波背景（CMB）之前的早期宇宙等离子体（带电气体）中可预测声波的遗留痕迹。这些现在被冻结在我们周围星系的大规模结构中。与 SNeIa 一样，它们可预测的大小可以与今天观察到的大小进行比较，以测量宇宙的膨胀历史。

最近，DES 报告了其十多年工作的最终 SNeIa 结果，检测并描述了数千次超新星事件。虽然这些 SNeIa 结果与宇宙由宇宙常数主导这一正统观点相符，但它们确实带来了新物理学的诱人可能性——即暗能量可能随宇宙时间而变化。

也就是说，科学家们被训练得要持有怀疑态度，而且有诸多理由不相信单个实验、单次观察，甚至是一组宇宙学家！

如今，宇宙学家在分析数据时竭尽全力向自己“隐瞒”结果，直到最后一刻才揭示答案。这样做是为了避免无意识的人类偏见影响工作，这种偏见可能会促使人们得到他们认为应该看到的答案。

这就是为什么结果的可重复性是所有科学的核心。在宇宙学中，我们珍视进行多次实验、相互检查和挑战的需求。

第二个令人瞩目的结果出自暗能量光谱仪（DESI）的首次 BAO 测量，它是 SDSS 的继任者。DESI 绘制的首张宇宙地图比最初的 SDSS 绘制的更深入、更密集。其首次 BAO 结果令人感到有趣——仅这些数据仍与宇宙常数一致，但与其他数据源结合时，有暗示可能存在随时间变化的暗能量。

特别是，当 DESI 将其 BAO 结果与最终的 DES SNeIa 数据相结合进行分析时，随时间变化的暗能量的显著性增加到 3.9 西格玛（如果一个假设是正确的，这是一组数据不寻常程度的度量）——只有 0.6%的可能性是统计上的巧合。

我们大多数人会接受这样的概率，但科学家们之前曾因数据中的系统误差而遭受损失。因此，粒子物理学家要求任何新物理的发现标准为 5 西格玛——或者错误的可能性小于百万分之一！

正如科学家们常说的那样，“非凡的主张需要非凡的证据。”

我们是否正在进入宇宙学发现的新时代？如果是这样，这意味着什么？

我第一个问题的答案可能是肯定的。未来几年对宇宙学家而言将会是有趣的，欧洲航天局的欧几里得任务将有新的数据和结果。该任务于去年发射，已经以前所未有的精度扫描天空。

同样，DESI 将获得更多更好的数据，而欧洲南方天文台在 2025 年开始其自己的大规模红移调查。然后，智利的鲁宾天文台很快就要上线了。把这些数据集综合起来，应当能毫无疑问地证明暗能量是否会随宇宙时间而变化。

如果是这样，这意味着现在的暗能量比过去要少。这可能是由许多因素造成的，但有趣的是，这可能标志着宇宙当前加速膨胀阶段的结束。

这也意味着暗能量可能并非那种被认为与空空间相关的背景能量的宇宙学常数。根据量子力学，空空间并非真的空无一物，粒子不断地出现和消失，创造了我们所谓的“真空能量”。具有讽刺意味的是，这种真空能量的预测跟我们的宇宙学观测结果在数量级上相差极大。

所以，如果我们确实发现暗能量随时间变化，这可能解释为什么观测结果与量子力学不一致，量子力学是一个经过了极好检验的理论。这将会表明在宇宙学标准模型中，暗能量是恒定的这一假设需要重新加以思考。这样的认识可能有助于解决关于宇宙的其他谜团——或者提出新的谜团。

简而言之，在本十年即将到来的新的宇宙学观测将会激发一个新的物理思维时代。恭喜年轻的宇宙学家们：这是属于你们的欢乐时代。