暗能量會演化？

近期，暗能量光譜儀 (DESI) 合作組發布了新的宇宙膨脹天圖，發現暗能量或許并非恒定不變，宇宙學標準模型可能需要重大修正？

編譯 | 徐仁新（北京大學）

近一個世紀以來，人們一直知道宇宙在膨脹，僅四分之一世紀前又發現膨脹正在加速 (獲得2011年度諾貝爾物理學獎)。究竟何種神秘力量 (稱為“暗能量”) 驅動這一加速膨脹？最簡單的解釋源自愛因斯坦的“宇宙常數” (Λ)，即暗能量乃時空內稟屬性；它是標準宇宙學模型的基石。數十年來，人們用帶宇宙學常數的冷暗物質模型 (即ΛCDM) 解釋所有天文觀測，而新的高精度觀測正在對該模型進行最嚴格的檢驗。“暗能量光譜儀 (DESI) ”項目繪制出了前所未有的大尺度天圖 (如下圖所示)，發現暗能量或許并非恒定不變。這意味著我們對宇宙的認知可能需要重大修正。

DESI前三年數據的切片，繪制了迄今最大的宇宙天圖

刻畫宇宙的膨脹史需要一把確定物理尺寸的“標尺”。宇宙幼年時殘留的漣漪，即重子聲波振蕩 (BAO)，可以充當這把尺子。大爆炸約38萬年后，早期等離子體中的聲波從高密度區向外傳播，正如石子投入池塘激起漣漪那樣。宇宙膨脹、冷卻到一定時期，光子與物質脫耦，BAO漣漪被有效“凍結”，在空間上留下的印記就會體現一個特征尺度。這一尺度可通過星系等密度的微小漲落來測量。

通過觀測宇宙不同歷史時期標尺的大小，人們即可測算宇宙膨脹率的時間演化。DESI巡天傳承自此前的SDSS，且規模更大；它繪制了數千萬天體的三維空間分布。該巡天選用不同類型的天體來“示蹤”不同時期的宇宙。針對近鄰宇宙 (紅移z 低于0.4)，采用“亮星系巡天”樣本。再通過“亮紅星系”和“發射線星系”探測更遠的宇宙。對于高紅移(z >2)情形，DESI利用類星體來示蹤。類星體輻射穿越宇宙網、薄片和空洞后形成氫元素的吸收譜線，即萊曼—阿爾法森林，它們可示蹤宇宙重子物質分布的結構。DESI通過觀測82萬余類星體的光譜并分析萊曼—阿爾法森林，探測到了110億年前的宇宙。

這項研究整合了所有示蹤天體 (從近鄰星系到遙遠類星體)，繪制出了迄今最全的宇宙天圖。DESI巡天前三年即獲得超過千萬個星系和類星體的數據，并且測量精度驚人：BAO尺度誤差低于1%，比首次發布時提升了30%至50%。

DESI團隊發現，這些觀測數據能夠很好地與標準模型ΛCDM吻合，但其最佳擬合參數與宇宙微波背景輻射觀測給出的結果之間存在微小、卻日益明顯的差異。盡管數年前DESI與CMB的分析結果在誤差范圍內保持一致，但新結果還是揭示了潛在分歧：兩種方法的不一致性達到2.3倍標準差。當然，這一偏離尚未達到宣稱新發現的地步，卻極具研究價值。

設想暗能量并非是宇宙學常數？這將是戲劇性的。DESI團隊探索了較靈活的模型，讓暗能量“狀態方程”的關鍵參數w (定義為壓強與密度之比) 隨時間變化 (在ΛCDM模型中恒有w=-1)。允許w隨時間演化即能更好地擬合DESI數據。值得注意的是：將DESI數據與宇宙微波背景輻射、超新星等其他觀測結合起來研究時，暗能量演化的顯著性達4.2倍標準差，暗示著暗能量最近可能增強了。若最終獲得證實，這將是里程碑式的突破。

我們身處一個激動人心的時代。雖然DESI的結果并未明確推翻標準模型，但是它強烈暗示ΛCDM模型可能存在缺陷。DESI的高精度測量也是革命性的：關于暗能量的任何新理論都必須與這些宇宙膨脹史測量數據一致。

注意：DESI的研究還在深入開展。這里的結果僅基于五年巡天計劃中前三年的數據，而未來更龐大的數據集有望降低統計誤差，明確暗能量是否演化。當然，DESI跟其他項目的協同觀測也同樣重要，如歐幾里得衛星、魯賓天文臺等。

未來無外乎三種可能：鞏固標準模型、審視系統誤差、發現暗能量演化，結局都將是意義深遠的。讓我們期待DESI發布全部五年觀測的分析結果！

編譯來源

Matteo Viel. Physics，October 6，2025

本文經授權轉載自微信公眾號“中國物理學會期刊網”。

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