物理學家推斷出微妙的暗示，推動宇宙膨脹得越來越快的神秘「暗」能量可能會隨著時間的推移而略有減弱。這項發現有可能動搖物理學的基礎。

“如果屬實，這將是 25 年來我們獲得的關於暗能量本質的第一個真正線索。” 亞當·里斯約翰霍普金斯大學天文物理學家，1998年因共同發現暗能量而獲得諾貝爾獎。

新的觀測結果來自暗能量光譜儀器 (DESI) 團隊，該團隊今天公佈了一張規模空前的宇宙地圖，以及從地圖得出的大量測量數據。對許多研究人員來說，最重要的是一張圖，顯示三種不同的觀察組合都暗示暗能量的影響可能已經在數億年的時間裡被侵蝕。

「我們有可能看到暗能量演化的跡象，」說 狄龍布勞特 波士頓大學博士，DESI團隊成員。

合作內外的研究人員都強調，證據還不足以宣稱有一項發現。這些觀察結果有利於暗能量的侵蝕，具有中等的統計意義，而隨著額外的數據的增加，這種意義很容易消失。但研究人員也指出，三組不同的觀察結果都指向同一個有趣的方向，這一方向與暗能量作為空間真空的內在能量的標準圖景不一致——暗能量是阿爾伯特·愛因斯坦稱之為「宇宙學常數」的量。由於其不變的性質。

「這很令人興奮，」說 塞什·納達圖爾朴茨茅斯大學的宇宙學家，從事 DESI 分析。 “如果暗能量不是宇宙常數，那將是一個巨大的發現。”

宇宙常數的興起

1998年，里斯的團隊與索爾·珀爾穆特（Saul Perlmutter）領導的另一組天文學家一起，利用數十顆遙遠的、垂死的恆星（稱為超新星）發出的光來照亮宇宙的結構。他們發現，隨著宇宙年齡的增長，宇宙的膨脹速度會加快。

根據愛因斯坦的廣義相對論，任何物質或能量都可以驅動宇宙膨脹。但隨著空間的膨脹，當所有熟悉的物質和能量在更廣闊的宇宙中擴散時，它們的密度就會變得不那麼大。隨著它們的密度下降，宇宙的膨脹應該會減慢，而不是加速。

然而，一種不會隨著空間膨脹而稀釋的物質是空間本身。如果真空有自己的能量，那麼隨著更多的真空（因此更多的能量）產生，膨脹將會加速，正如里斯和珀爾穆特的團隊所觀察到的。他們對宇宙加速膨脹的發現揭示了與太空真空相關的微量能量的存在——暗能量。

方便的是，愛因斯坦在發展廣義相對論時考慮了這種可能性。為了阻止物質稀釋導致宇宙崩潰，他想像所有的空間都可能被注入一定量的額外能量，用符號 Λ 表示，稱為 lambda，也稱為宇宙學常數。愛因斯坦的直覺被證明是錯的，因為宇宙並不像他想像的那樣平衡。但在1998 年發現空間似乎將一切向外推之後，他的宇宙常數又回來了，並佔據了當前宇宙學標準模型的核心位置，這是一組相互交織的成分，被稱為「Lambda CDM 模型」。

「這很簡單。這是一個數字。它有一些你可以附加的故事。這就是為什麼它被認為是恆定的，」說 莉西亞·維德，一位理論宇宙學家和 DESI 合作組織的成員。

現在，使用新一代望遠鏡的新一代宇宙學家可能正在捕捉到一個更豐富的故事的第一個耳語。

繪製天空地圖

其中一台望遠鏡位於亞利桑那州的基特峰。 DESI 團隊為望遠鏡的四米鏡子配備了 5,000 根機器人纖維，可以自動旋轉到天體目標。與先前的旗艦星系巡天－斯隆數位巡天（SDSS）相比，自動化技術能夠實現閃電般快速的資料收集，後者依賴類似的光纖，必須手動將其插入有圖案的金屬板中。在最近的一個創紀錄的夜晚，DESI 記錄了近 200,000 萬個星系的位置。

從 2021 年 2022 月到 6 年 2 月，機器人纖維吸收了來自宇宙歷史不同時代到達地球的光子。此後，DESI 研究人員將這些數據轉化為有史以來最詳細的宇宙地圖。它具有約 12 萬個星系的精確位置，這些星系存在於大約 13.8 至 XNUMX 億年前（宇宙 XNUMX 億年的歷史中）。 「DESI 是一個非常偉大的實驗，產生了驚人的數據，」里斯說。

DESI 精確測繪的秘密在於其收集星系光譜的能力，即記錄每種光色調強度的數據豐富的繪圖。光譜揭示了星系遠離我們的速度，以及我們看到它處於宇宙歷史的哪個時代（星系遠離的速度越快，它的年齡就越老）。這可以讓你定位星系之間的相對位置，但為了用相對於地球的正確距離來校準地圖——這是全面重建宇宙歷史的基本資訊——你需要其他東西。

對於 DESI 合作來說，這個東西是早期宇宙留下的冷凍密度波紋的拼湊。在大爆炸後的最初幾十萬年裡，宇宙是一鍋熱的、濃稠的湯，主要由物質和光組成。重力將物質向內拉，而光將其向外推，這種鬥爭引發了密度波紋，從湯中最初的一些緻密點向外擴散。宇宙冷卻並形成原子後，它變得透明。光向外流動，留下了稱為重子聲振盪（BAO）的漣漪，凍結在原地。

最終的結果是一系列重疊的球體，球體的密度稍大，直徑大約是十億光年——這是 BAO 在凍結之前需要移動的距離。這些緻密的殼層繼續形成比其他位置稍多的星系，當 DESI 研究人員繪製數百萬個星系的地圖時，他們可以檢測到這些球體的痕跡。較近的球體看起來比遠處的球體更大，但由於 DESI 研究人員知道這些球體的大小相同，因此他們可以判斷星系距地球的實際距離，並相應地調整地圖的大小。

為了避免無意識地影響他們的結果，研究人員進行了「盲目」分析，使用隨機調整的測量結果來掩蓋任何物理模式。去年 12 月，雙方在夏威夷會面，解讀結果，看看 Kitt Peak 機器人纖維觀察到了什麼樣的地圖。

當納達圖爾在英國的家中觀看 Zoom 直播，當地圖被揭曉時，他感到很興奮，因為它看起來有點奇怪。 「如果你對 BAO 數據有足夠的經驗，你會發現需要的東西與標準模型有點不同，」Nadathur 說。 “我知道 Lambda CDM 並不是全部。”

在接下來的一周裡，當研究人員梳理新資料集、分析它並將其與其他大型宇宙學資料集混合時，他們發現了奇怪的根源，並交換了一系列 Slack 訊息。

「我的一位同事發布了一張顯示暗能量約束的圖，但沒有寫任何文字。只是情節和爆炸頭表情符號，」納達瑟說。

數天數據

DESI 旨在透過觀察宇宙歷史七個時期中出現的不同類型的星系來確定宇宙如何隨著時間的推移而膨脹。然後，他們會看到這七個快照與 Lambda CDM 預測的演變的吻合程度。他們還考慮了其他理論的表現如何——例如允許暗能量在快照之間變化的理論。

僅使用第一年的 DESI 數據，Lambda CDM 就幾乎可以與可變暗物質模型一樣擬合快照。只有當合作將 DESI 地圖與其他快照（稱為宇宙微波背景的光和一系列最近的三張超新星地圖）結合時，這兩種理論才開始出現分歧。

他們發現結果與 Lambda CDM 的預測相差 2.5、3.5 或 3.9 個“西格瑪”，具體取決於他們所包含的三個超新星目錄中的哪一個。想像一下拋硬幣 100 次。一枚公平硬幣的預測是 50 個正面和 50 個反面。如果出現 60 個正面，則與平均值相差 1 個西格瑪；偶然發生的幾率（而不是硬幣被操縱）是二十分之一。如果你得到 20 個正面——隨機發生的幾率是二百萬分之一——這是一個 75 西格瑪的結果，聲稱物理學發現的黃金標準。 DESI 所得的西格瑪值介於兩者之間；它們可能是罕見的統計波動，也可能是暗能量正在改變的真實證據。

雖然研究人員發現這些數字很誘人，但他們也警告不要過度解讀更高的數值。宇宙比硬幣複雜得多，統計顯著性取決於數據分析中的微妙假設。

人們熱情高漲的一個更強有力的原因是，所有三個超新星目錄——涵蓋了某種程度上獨立的超新星族群——都暗示暗能量正在以同樣的方式變化：它的力量正在減弱，或者正如宇宙學家所說，「融化」。 「當我們交換所有這些互補資料集時，它們都傾向於收斂於這個略為負的數字，」布勞特說。如果差異是隨機的，則資料集更有可能指向不同的方向。

約書亞·弗里曼芝加哥大學宇宙學家、DESI 合作組織成員，並未從事數據分析工作，他表示，他很高興看到 Lambda CDM 失敗。作為一名理論家，他在1990 年代提出了解凍暗能量的理論，最近他與他人共同創立了暗能量調查——該計畫旨在尋找2013 年至2019 年與標準模型的偏差，並創建了三個超新星目錄DESI 之一用過的。但他也記得過去因消失的宇宙異常而被燒傷。 “我對此的反應是好奇”，但是“在錯誤變小之前，我不會寫我的[諾貝爾]獲獎感言，”弗里曼開玩笑說。

「從統計學上來說，它可能會消失，」布勞特在談到與 Lambda CDM 模型的差異時說道。 “我們現在正在全力以赴看看是否會發生。”

在本週早些時候結束了第三年的觀測後，DESI 研究人員預計他們的下一張地圖將包含幾乎是今天公佈的地圖兩倍的星系。現在他們在 BAO 分析方面有了更多的經驗，他們計劃盡快推出更新的三年地圖。接下來是包含 40 萬個星系的五年地圖。

除了DESI 之外，未來幾年還將有大量新儀器上線，包括智利8.4 公尺的維拉魯賓天文台、美國太空總署的南希·格雷斯·羅馬太空望遠鏡和歐洲太空總署的歐幾里德任務。

「我們在宇宙學方面的數據在過去 25 年裡取得了巨大的飛躍，而且即將取得更大的飛躍，」弗里曼說。

隨著他們累積新的觀察結果，研究人員可能會繼續發現暗能量似乎與一代人一樣恆定。或者，如果趨勢繼續按照 DESI 結果所暗示的方向發展，它可能會改變一切。

新物理學

如果暗能量正在減弱，它就不可能是宇宙常數。相反，許多宇宙學家認為，它可能與宇宙誕生期間引發指數膨脹時刻的場相同。這種「標量場」可以用一定量的能量填充空間，這些能量一開始看起來是恆定的——就像宇宙常數——但最終會隨著時間的推移而開始下滑。

「暗能量變化的想法是非常自然的，」說 保羅斯坦哈特，普林斯頓大學宇宙學家。否則，他繼續說道，“這將是我們所知道的唯一一種在空間和時間上絕對恆定的能量形式。”

但這種可變性將帶來深刻的典範轉移：我們不會生活在真空中，真空被定義為 宇宙的最低能量狀態。相反，我們會處於一種充滿活力的狀態，慢慢滑向真正的真空。 “我們習慣於認為自己生活在真空中，”斯坦哈特說，“但沒有人向你保證這一點。”

宇宙的命運將取決於先前被稱為宇宙常數的數字下降的速度以及下降的幅度。如果達到零，宇宙加速就會停止。如果它遠低於零，空間的擴張將轉變為緩慢的收縮——這種逆轉所需的 宇宙學的循環理論，例如斯坦哈特開發的那些。

弦理論家也有類似的觀點。他們提出一切都歸結為弦的振動，他們可以將具有不同維度數和各種奇異粒子和力的宇宙編織在一起。但他們 不能輕易構建 一個永久保持穩定正能量的宇宙，就像我們的宇宙看起來的那樣。相反，在弦理論中，能量要么在數十億年的過程中緩慢下降，要么猛烈下降到零或負值。 「從本質上講，所有弦理論學家都相信這是其中之一。我們不知道是哪一個，」說 卡姆倫·瓦法（Cumrun Vafa） 哈佛大學

暗能量逐漸下降的觀測證據將有利於溫和下降的情境。 「這將是驚人的。這將是自發現暗能量本身以來最重要的發現，」瓦法說。

但就目前而言，任何此類猜測都僅以最鬆散的方式植根於 DESI 分析。宇宙學家在認真考慮革命性的想法之前，還必須觀察數百萬個星系。

里斯說：“如果這一點成立，它可能會為人們對宇宙提供新的、可能更深入的理解開闢道路。” “未來幾年應該非常有啟發性。”