解密黑暗：不断加速的宇宙和对暗能量的探索

这张信息图概述了宇宙的历史。资料来源：美国国家航空航天局

但宇宙不会一直这样下去。宇宙开始膨胀 90 亿年后，在一种未知力量的推动下，宇宙开始加速膨胀，科学家将其命名为暗能量。

但暗能量究竟是什么呢？简短的回答是我们不知道。但我们确实知道它的存在，它使宇宙加速膨胀，大约 68.3% 到 70% 的宇宙都是暗能量。

一切都源于仙王座

暗能量直到 20 世纪 90 年代末才被发现。但它在科学研究中的起源却要追溯到 1912 年，当时美国天文学家亨丽埃塔-斯旺-利维特利用仙王座变星做出了一项重要发现，仙王座变星是一类恒星，其亮度波动的规律性取决于恒星的亮度。

所有具有一定周期的仙王座恒星（仙王座恒星的周期是指从明亮到暗淡再到明亮的时间）都具有相同的绝对星等或光度--它们发出的光量。利维特测量了这些恒星，证明它们的亮度周期和光度之间存在一定的关系。利维特的发现使天文学家有可能利用恒星的周期和光度来测量我们与遥远星系（以及我们自己的银河系）中的仙王座恒星之间的距离。

大约在同一历史时期，天文学家维斯托-斯莱弗（Vesto Slipher）使用他的望远镜的摄谱仪观测到了螺旋星系。摄谱仪是一种将光线分成不同颜色的装置，就像三棱镜将光线分成彩虹一样。他利用当时相对较新的发明--摄谱仪来观察来自星系的不同波长、不同光谱线的光线。通过他的观测，西尔弗成为第一位观测到遥远星系中星系远离我们的速度的天文学家，这种观测被称为红移。这些观测结果被证明对未来许多科学突破，包括暗能量的发现至关重要。

当天体远离我们时，来自这些天体的光线就会拉长，这就是"红移"。光的行为就像波一样，而红光的波长最长。因此，来自远离我们的天体的光线波长更长，延伸到电磁波的"红端"。

探索不断扩展的宇宙

星系红移的发现、仙王座变星的周期-光度关系，以及测量恒星或星系距离的新发现，最终让天文学家观测到星系随着时间的推移离我们越来越远，这表明宇宙正在膨胀。在随后的几年里，世界上不同的科学家开始把宇宙膨胀的碎片拼凑在一起。

1922 年，俄罗斯科学家兼数学家亚历山大-弗里德曼发表了一篇论文，详细阐述了宇宙历史的多种可能性。这篇论文以阿尔伯特-爱因斯坦于 1917 年发表的广义相对论为基础，其中包括宇宙正在膨胀的可能性。

1927 年，比利时天文学家乔治-勒梅特（Georges Lemaître）发表了一篇论文，其中也提到了爱因斯坦的广义相对论。虽然爱因斯坦在他的理论中指出宇宙是静止的，但勒梅特尔却指出了爱因斯坦理论中的方程实际上是如何支持宇宙并非静止而是在膨胀这一观点的。

1929 年，天文学家埃德温-哈勃（Edwin Hubble）通过他的助手、天文学家米尔顿-胡马森（Milton Humason）的观测，证实宇宙正在膨胀。胡马森测量了螺旋星系的红移。哈勃和胡马森随后研究了这些星系中的倒彩恒星，利用这些恒星来确定星系（或他们称之为星云）的距离。他们将这些星系的距离与它们的红移进行了比较，并追踪到一个天体离我们越远，红移越大，远离我们的速度也越快。他们发现，星系等天体离地球的距离越远，其移动速度越快，每秒可达数十万英里--这一观测结果现在被称为哈勃定律或哈勃-勒梅特定律。他们证实，宇宙真的在膨胀。

这张合成图展示了迄今为止星系团之间最复杂、最戏剧性的碰撞。这个星系的正式名称是 Abell 2744，由于发现了各种各样不同的结构，因此被称为潘多拉星系团。钱德拉（红色）数据显示气体温度高达数百万度。蓝色是根据哈勃太空望远镜、甚大望远镜（VLT）和斯巴鲁望远镜的数据绘制的总质量浓度图（主要是暗物质）。哈勃太空望远镜和甚大望远镜的光学数据还显示了星系团的组成星系。天文学家认为至少有四个来自不同方向的星系团参与了这次碰撞。资料来源：X射线：NASA/CXC/ITA/INAF/J.Merten et al, Lensing：NASA/STSCI；NAOJ/Subaru；ESO/VLT，光学：NASA/STSCI/R.Dupke

超新星显示膨胀正在加速

科学家们以前认为，宇宙的膨胀很可能会随着时间的推移而被引力减缓，爱因斯坦的广义相对论支持这一预期。但在 1998 年，当两个不同的天文学家小组在观测遥远的超新星时注意到（在某一红移下）恒星爆炸比预期的要暗淡时，一切都改变了。这三个小组分别由天文学家亚当-里斯（Adam Riess）、索尔-珀尔马特（Saul Perlmutter）和布莱恩-施密特（Brian Schmidt）领导。这三人因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。

虽然暗淡的超新星似乎并不是什么重大发现，但这些天文学家正在观测的是1a 型超新星，众所周知，这些超新星具有一定的光度。因此他们知道，一定还有其他因素让这些天体看起来更暗。科学家们可以通过天体的亮度来确定距离（和速度），较暗的天体通常距离较远（尽管周围的尘埃和其他因素也会导致天体变暗）。

科学家们由此得出结论，这些超新星的红移距离比他们预计的要远得多。

利用天体的亮度，研究人员确定了这些超新星的距离。利用光谱，他们还能计算出这些天体的红移，从而推算出它们远离我们的速度。他们发现这些超新星并不像预期的那样接近，这意味着它们远离我们的速度比预想的要快。这些观测结果让科学家们最终得出结论：宇宙本身一定在以更快的速度膨胀。

虽然人们已经探索了这些观测结果的其他可能解释，但近年来研究更遥远的超新星或其他宇宙现象的天文学家继续收集证据，并为宇宙随着时间的推移膨胀得更快这一观点提供支持，这一现象现在被称为宇宙加速。

但是，科学家们在建立宇宙加速论的同时，也提出了一个问题：为什么？是什么促使宇宙随着时间的推移加速延伸？

进入暗能量

暗能量究竟是什么？

现在，暗能量只是天文学家对导致宇宙加速膨胀的神秘的"东西"的称呼。

有人将暗能量描述为一种负压，它将空间向外推。然而，我们并不知道暗能量是否具有任何类型的力的作用。关于暗能量可能是什么，有很多说法。以下是对暗能量的四种主要解释，它有可能完全是另一种东西。

真空能量

一些科学家认为，暗能量是太空中一种基本的、无处不在的背景能量，被称为真空能，它可能等同于宇宙常数，这是爱因斯坦广义相对论方程中的一个数学术语。最初，宇宙常数的存在是为了抵消万有引力，从而形成一个静态的宇宙。但当哈勃证实宇宙实际上在膨胀时，爱因斯坦删除了这个常数，物理学家乔治-加莫称这是"我最大的失误"。

但是，当后来发现宇宙的膨胀实际上是在加速时，一些科学家提出，以前被否定的宇宙学常数实际上可能存在一个非零值。他们认为，这种额外的力量是加速宇宙膨胀所必需的。这种理论认为，这种神秘的成分可以归因于一种叫做"真空能"的东西，这是一种渗透到整个空间的理论背景能量。

空间从来不是完全空的。根据量子场论，宇宙中存在虚拟粒子，即粒子对和反粒子对。人们认为，这些虚拟粒子在宇宙中出现的同时就会相互抵消，而这种忽隐忽现的现象可能是由"真空能"造成的，"真空能"充满宇宙并推动空间向外扩展。

虽然这一理论一直是人们讨论的热门话题，但研究这一方案的科学家们已经计算出了理论上太空中应该有多少真空能。结果表明，要么存在大量的真空能，以至于在宇宙诞生之初，宇宙会以极快的速度和巨大的力量向外膨胀，以至于不可能形成恒星或星系；要么......绝对不存在真空能。这意味着，宇宙中的真空能量一定比这些预测中的要小得多。然而，这一差异至今仍未解决，甚至被称为"宇宙常数问题"。

“五元素”：

一些科学家认为，暗能量可能是一种充满空间的能量流体或能量场，其行为方式与正常物质相反，其数量和分布在时间和空间上都会发生变化。这种假设的暗能量被昵称为"五元素"（Quintessence），源自古希腊哲学家讨论的理论上的第五元素。

一些科学家甚至认为，五元素可能是暗能量和暗物质的某种组合，尽管这两者目前被认为是完全独立的。虽然这两种物质对科学家来说都是一大谜团，但暗物质被认为占宇宙中所有物质的 85%。

太空皱纹

一些科学家认为，暗能量可能是宇宙结构本身的一种缺陷；这种缺陷就像宇宙弦一样，是一种假想的一维"皱纹"，被认为是在早期宇宙中形成的。

广义相对论的缺陷

一些科学家认为，暗能量并不是我们能够发现的物理现象。相反，他们认为广义相对论和爱因斯坦的万有引力理论可能存在问题，以及它在可观测宇宙范围内的工作原理。在这个解释中，科学家们认为有可能修改我们对万有引力的理解，从而在不需要暗能量的情况下解释对宇宙的观测。爱因斯坦其实在 1919 年就提出了这样一个想法，叫做单模引力，这是广义相对论的一个修正版，今天的科学家认为它不需要暗能量就能解释宇宙。

未来

暗能量是宇宙的一大谜团。几十年来，科学家们一直在推测我们不断膨胀的宇宙。现在，我们第一次有了足够强大的工具来检验这些理论 并真正研究这个大问题："暗能量是什么？"

美国国家航空航天局（NASA）在欧空局（ESA）的欧几里得（Euclid）任务（2023 年发射）中发挥着至关重要的作用，该任务将绘制宇宙三维地图，以观察物质是如何随着时间的推移被暗能量拉开的。该地图将包括对距离地球 100 亿光年的数十亿星系的观测。

美国国家航空航天局（NASA）的南希-格蕾丝-罗曼太空望远镜将于2027年5月发射升空，旨在研究暗能量等诸多科学课题，还将绘制三维暗物质地图。罗曼望远镜的分辨率将与美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜一样清晰，但视场要大 100 倍，从而能够捕捉到更广阔的宇宙图像。这将使科学家们能够绘制出宇宙中物质的结构和分布情况，并探索暗能量的表现和随时间的变化。罗曼还将进行一次额外的巡天观测，以探测 Ia 型超新星。

除了美国国家航空航天局的任务和努力之外，由包括美国国家科学基金会在内的大型合作机构支持的维拉-C-鲁宾天文台（目前正在智利建造）也准备支持我们对暗能量的不断深入了解。该地面观测站预计将于 2025 年投入使用。

在欧几里得、罗曼和鲁宾的共同努力下，宇宙学将迎来一个新的"黄金时代"，科学家们将收集到比以往任何时候都更加详细的关于暗能量之谜的信息。

此外，美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜（2021 年发射）是世界上最强大、最大的太空望远镜，旨在为多个研究领域做出贡献，并将为暗能量研究做出贡献。

美国国家航空航天局（NASA）的SPHEREx（宇宙历史、再电离纪元和冰探索者分光光度计）任务计划最迟于2025年4月发射，旨在研究宇宙的起源。SPHEREx将用近红外线探测整个天空，其中包括4.5亿多个星系，科学家们希望SPHEREx收集到的数据能够帮助我们进一步了解暗能量。

美国国家航空航天局（NASA）还支持一个名为"暗能量探索者"的公民科学项目，该项目使世界上任何人，即使没有受过科学训练，也能帮助寻找暗能量的答案。

最后，需要澄清的是，暗能量并不等同于暗物质。它们的主要相似之处在于：我们还不知道它们是什么！

编译自:ScitechDaily