暗能量正在踩剎車？DESI發現宇宙或在停止加速

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作者：Paul Sutter

翻譯：張瀚之

校對：牧夫校對組

編排：陶邦惠

后臺：朱宸宇

https://www.universetoday.com/articles/desis-dizzying-results

圖片來源: DESI Collaboration

在宇宙學界中，暗能量一直被認為是個固定的背景板。不過近期，由全球70多個科研機構共同組建的暗能量光譜巡天（DESI）合作組向人類投下了一枚重磅炸彈：他們發現了一條雖不算強烈但相當重要的線索——暗能量可能會隨著時間推移而逐漸變弱。這令人震驚的線索是DESI多年艱苦數據分析的結晶。雖然并非百分之百鐵證如山，但足以讓我們的宇宙變得更加耐人尋味……

雖然現在再來討論這個2024年發布的數據有些晚了，不過沒關系，因為第一，這類結果信息量巨大，需要慢慢拆解。第二，這項結果短期內不會被推翻或更新，所以我們有充足的時間來慢慢聊一聊，這到底意味著什么。

DESI 巡天計劃

我們先從結果本身以及它是如何得出的說起吧！DESI 位于美國亞利桑那州東南部基特峰上，本體是一個口徑約 4 米的望遠鏡。DESI合作組的目標是大規模星系巡天，而為了實現這一巡天，望遠鏡本體下方配備了 5000 條由機器人精確控制的光纖。每個夜晚，DESI望遠鏡會選定天空中的一片區域，然后機器人 們會把光纖移動到對應這片區域內每一個星系的位置上，望遠鏡里的精妙儀器再為每個星系記錄詳細的數據。然后第二個夜晚再來一遍，第三個夜晚再來一遍，如此循環往復。

圖片來源: DESI Collaboration

到目前為止，DESI已經累積了 1300 多萬個星系的數據，這個目錄是人類歷史上最大、最全面的星系位置巡天數據集。而這還只是開始。DESI項目的最終目標是在巡天結束時觀測至少5000 萬個星系。

大家猜一猜DESI望遠鏡里哪個部件最帥？那必須得是由機器人控制的光纖，它們真的是game changer！從許多方面來看，DESI 絕對是上一代巡天（斯隆數字巡天SDSS）的繼任者。雖然SDSS 的設備架構與 DESI 類似，不過當年移動光纖的不是機器人...而是研究生！雖然可能成本更低，但效率肯定遠不如機器人。

圖片來源: DESI Collaboration

DESI 巡天覆蓋的星系數量雖然不足可觀測宇宙全部星系的 1%，但仍然會是一個龐大的樣本。那么，擁有這樣一張覆蓋整個宇宙相當一部分區域的地圖，我們能拿它做什么呢？

BAO：宇宙給我們留下的標準尺

星系在超大尺度上的排列信息能告訴我們許多關于宇宙的事情。而在這次 DESI 的分析中，他們使用的關鍵特征之一，就是宇宙大尺度結構中的重子聲學振蕩（baryon acoustic oscillations，簡稱 BAO）。

很久很久以前，宇宙比現在小得多、熱得多、密得多。如果有人問你大爆炸理論到底講什么？我前面說得這句話，就是答案啦。事實上，數十億年前，當宇宙只有幾十萬歲時，它的體積比現在小一百萬倍，溫度也高出幾千度，所有物質都緊擠在一起，以高能等離子體形式存在。這種狀態與太陽內部或閃電中的物質狀態相同，而且當時這種等離子體充滿整個宇宙。

和任何致密介質一樣，宇宙中出現了聲波。這些聲波中有許多是由引力與輻射之間的角力產生的。密度高的物質團塊會在自身引力作用下塌縮，但塌縮會使它們升溫并發出輻射，而這些輻射又會將物質向外推。

這種來回過程會持續進行，直到宇宙冷卻到光子可以自由傳播時。那一刻開始，輻射不再參與這場角力，聲波也會被卡在某一個狀態上。聲波停下的位置成為額外引力的來源，形成一個密度略高的球殼。

事實上，我們甚至能給這些球殼結構拍照。也就是那些重子聲學振蕩BAO。當時被釋放出來的光至今仍然存在，我們還能拍下它，這就是宇宙微波背景（CMB）。總結來說，BAO是早期宇宙中由于原初等離子體中的聲學密度波引起的，在宇宙可見重子物質密度上產生的波動。它就像一個標準尺，人們可以用它測量宇宙的大尺度結構，然后研究宇宙加速膨脹的原因（天文學家們認為是暗能量）。

圖片來源：Gabriela Secara/Perimeter Institute

這些額外密度的殼層并不會在一段時間后消失。它們會一直存在，并在接下來數十億年中不斷吸引更多物質，讓自己的殼比周圍更致密。今天，我們觀測到的 BAO 的直徑大約能有 8 億光年！

最酷的地方在于，因為我們知道BAO理論上的大小是多少（從宇宙微波背景推今天的尺度，計算相對直接），所以我們可以用把理論尺度與它們在天空中實際的觀測尺度進行比較。它們呈現出的大小取決于宇宙學參數，也就是描述宇宙的性質、歷史與演化的量。

現在回歸我們的主題：這次DESI 測得的 BAO 殼層數據和天文學家們的想法有點“對不太上”。它們的大小與我們常規的宇宙學模型并不完全契合。相反，它們似乎更符合另一種宇宙圖景：暗能量會隨著時間發生演化。

如果暗能量真的在衰減，

宇宙命運會怎樣？

要理解暗能量，我們得先明白一件更離譜的事情。宇宙不僅在膨脹，而且還越膨脹越快。按常理說，引力會把一切拉在一起，宇宙應該越走越慢才對。但之前的觀測告訴我們，宇宙反而像是踩著油門一路加速沖向未來。于是天文學家不得不提出一個看不見、摸不著、不會發光、不會吸光的奇怪“東西”來解釋這個現象。它不像暗物質那樣提供額外引力，相反，它推動著時空本身不斷向外擴張。這就是暗能量。

暗能量占宇宙總能量的 68%，是宇宙中最大的能量成分，卻也是我們最不了解的成分。我們不知道它是什么、從哪里來、有沒有內部結構，甚至不知道它會不會會隨時間改變（我們之前猜它不會）。我們唯一真正知道的，是它的存在讓宇宙膨脹越來越快。

所以當 DESI 提示暗能量可能開始力不從心時，事態就變得刺激起來：如果推動宇宙膨脹的主力真的在變弱，那宇宙的未來劇情也許要徹底改寫。

DESI告訴我們，之前的模型恐怕是錯誤的，現在暗能量已經在慢慢剎車。但DESI答不出來暗能量究竟是什么。這恐怕正是天文學最迷人的地方，答案常常指向更大的謎題，而謎題又會引著我們猜測向更宏偉的宇宙圖景。DESI 的新結果并不是要推翻什么，而是告訴我們，宇宙有可能在以另一種我們不知道形式閃爍。

也許暗能量真的會隨時間變弱，也許它從未保持恒定，只是我們過去的觀測精度無法看見其微妙變化。又或許，宇宙正在用一種我們尚未理解的語言，向我們透露它的未來計劃。

未來 DESI 會將觀測擴大到五千萬個星系。同時，歐幾里得空間望遠鏡、維拉魯賓天文臺、南希·格蕾絲·羅曼空間望遠鏡等新項目也即將加入這場探索。無論如何，有一點是確定的：宇宙，就像我們第一次斗膽猜想它時一樣，巨大、陌生、充滿驚喜，而DESI帶著我們正站在一個可能翻開新篇章的新起點。

責任編輯：郭皓存

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

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西班牙舞者旋渦星系

圖片來源：ESA, NASA, Hubble

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