暗能量正减弱?新的乌云正飘向宇宙学标准模型(图)

驱使宇宙加速膨胀的神秘暗能量，可能会随着时间略微减弱，物理学家已经推断出了一些微妙的线索。这一发现可能撼动物理学大厦的基础。“如果属实，这将是25年来我们第一次获得有关暗能量本质的真正线索。”美国约翰·霍普金斯大学的天体物理学家亚当·里斯（Adam Riess）说道，他曾在1998年共同发现暗能量，并在2011年获得诺贝尔物理学奖。 这个最新观测结果来自暗能量光谱仪（DESI）团队。该团队在2024年4月4日发布了一幅规模空前的宇宙地图，并附带了大量从该地图得出的观测结果。对许多研究人员而言，最引人注目的是其中的一张图表，该图表显示，三种不同的观测组合都导向了同一个结果——暗能量的影响可能随着时间推移在逐渐减弱。 “我们可能找到了暗能量演化的痕迹。”美国波士顿大学的迪利恩· 布鲁（Dillon Brout）说道，他是DESI团队的成员之一。 无论是合作团队内部还是外部的研究人员都强调，目前所获得的证据仍不足以支撑这个发现。观测结果虽然倾向暗能量正在减弱，但统计上的显著性只有中等水平，可能会随着数据量的增加而消失。不过天文学家也指出，三组不同的观测结果都指向同一个令人兴奋的方向：它与暗能量标准模型相冲突。这一标准模型认为，暗能量是空间中内禀的真空能，也就是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）由于其不变性而称为“宇宙学常数”的量。 “真是激动人心的结果，”英国朴茨茅斯大学的宇宙学家塞什·那达图尔（Sesh Nadathur）说道，他参与了DESI的数据分析工作。“如果暗能量不是一个宇宙学常数，这将是一个重大发现。”


地球位于这幅DESI宇宙三维地图切片的中心。图片放大处展现了星系与空洞的分布。 宇宙学常数的崛起 1998年，里斯的团队与索尔·帕尔马特（Saul Perlmutter）带领的另一组天文学家一同合作，利用几十颗遥远的死亡恒星——超新星的光芒来研究宇宙的结构。他们发现，随着宇宙年龄的增长，它的膨胀速度也在加快。 根据爱因斯坦的广义相对论，任何形式的物质或者能量都能驱使宇宙的膨胀。但随着空间扩张，所有我们熟悉的物质和能量都会在更广阔的宇宙中变得更加稀薄。随着它们密度的下降，宇宙膨胀应该减缓而不是加速。 然而，有一种物质不会被空间膨胀稀释——那就是空间本身。如果真空自身就蕴含着一定的能量，也就是真空的内禀能量，那随着更多真空（意味着更多能量）的产生，宇宙的总能量越来越多，宇宙膨胀就会随之加快，正如里斯和帕尔马特团队所观测到的那样。他们对宇宙加速膨胀的发现揭示了一种与真空关联的能量，这就是暗能量。和常规物质相比，这种能量密度极低，但均匀分布在所有宇宙空间中，导致宇宙中68%的能量都是暗能量。 碰巧的是，爱因斯坦在创立广义相对论时就考虑过这种可能性。为了防止物质稀释导致宇宙塌缩，他设想在整个空间内可能蕴含着一定的额外能量，这种能量以符号Λ（拉姆达）表示，也就是宇宙学常数。虽然爱因斯坦的直觉并不准确，宇宙并不如他设想的那样稳定，但在1998年，当我们发现空间似乎将一切向外推动时，他的宇宙学常数被人们回想了起来，并一跃成为当前宇宙学标准模型的核心。这个宇宙学模型被称为含宇宙学常数的冷暗物质模型（ΛCDM模型），它由一系描述宇宙整体的方程组成，其中一个重要的方程中，宇宙学常数和宇宙中的物质、辐射和曲率共同决定了宇宙的演化状态。 “它很简单，就只是一个数字，背后有一定的解释，这就是为什么它被认为是一个常数。”理论宇宙学家利西亚·韦尔德（Licia Verde）说，她是DESI团队成员之一。 如今，凭借着新一代的望远镜，年轻一代的宇宙学家或许能看到一个更精彩的故事。 测绘天穹 其中一个望远镜坐落在美国亚利桑那州的基特峰上。DESI团队为这台望远镜的四米镜面配备了5000根能自动转向目标天体的光纤定位机器人。这种自动化操作使得数据收集速度远快于上一代的星系巡天领头项目——斯隆数字巡天（SDSS），后者使用的类似的光纤需要手动插入到预先设计好的金属板中。DESI的最新记录是在一个晚上记录下近20万个星系的位置。 从2021年5月到2022年6月，这些光纤定位机器人捕捉到了从宇宙历史各个时期出发到达地球的光子。DESI的研究人员随后将这些数据转化为迄今为止最详细的宇宙地图。该地图展示了大约600万个星系的精确位置，它们大概存在于20亿到120亿年前（宇宙有约138亿年的历史）。“DESI 是一个非常出色的观测项目，产出的数据令人惊叹，”里斯说。 DESI能够精准测绘的秘诀在于它收集星系光谱的能力——这种信息详尽的图谱记录了每种颜色光的强度。光谱反映了星系远离我们的速度，于是通过光谱，我们可以确定所看到的星系位于宇宙的哪一个时期（星系退行速度越快，它就越古老）。这使我们得以定位星系的相对位置，但想以地球为原点校准宇宙地图的正确距离——这是重建整个宇宙历史的关键信息，我们还需要另一个关键数据。 对于DESI团队来说，这一关键数据就是早期宇宙留下的密度波纹，它们像拼图般被一块一块地定格在空间中。在大爆炸后的前几十万年里，宇宙像是一锅由物质和光组成的炽热浓汤。引力将物质向内拉，光则将其向外推，这场拉锯战使汤里的原初高密度点产生了密度波纹并渐渐向外扩散。在宇宙冷却后，原子形成，宇宙变得透明，光得以向外逃逸，留下这些波纹定格在原地——这就是所谓的重子声学振荡（BAO）。 这一系列过程留下的最终结果是形成一系列层层叠叠的球体，在外壳处物质相对密集一些，它们的直径大约为十亿光年——这是重子声学振荡在被定格前传播的距离。在这些物质较为密集的球壳区域形成的星系会略多于其他位置。当DESI的研究人员绘制包含数百万个星系的地图时，他们就能够探测到这些球形区域的踪迹。较靠近我们的球体看上去要比远处的大，但由于DESI的研究人员知道这些球体的实际大小相同，他们可以据此判断这些星系距离地球有多远，并相应地调整这幅地图中的距离关系。 为了避免无意中影响结果，研究人员进行了“盲法分析”，即在处理观测数据时将其随机打乱，掩盖其中蕴含的任何物理信息。随后，在去年12月，合作组在夏威夷召开会议，解读被隐藏的结果，一起查看基特峰的光纤定位机器人到底观测到了一幅怎样的地图。 当时纳达图尔正在英国的家中线上观看现场直播，当那幅地图揭晓时，他激动万分，因为这个结果看起来有一些不同寻常。“如果你对重子声学振荡的数据有足够的经验，你会发现我们需要一些不同于标准模型的东西，”他说道，“我知道ΛCDM模型并不能完全解释这一切。” 在接下来的一周里，研究人员仔细检查这个新数据集，进行分析并与其他大型宇宙学巡天数据集相结合。他们发现了造成异常的原因，并在聊天软件上展开了激烈的讨论。 “一位同事发布了一张关于暗能量限制的数据结果图，他什么都没说，只发了图和一个脑袋爆炸的表情，”纳达图尔说道。


DESI的仪器配备了数千个光纤定位机器人，大大加快了数据采集速度。 日积月累 DESI的目标是通过观测宇宙历史上七个时期中不同类型的星系，精确测定宇宙随时间膨胀的过程。然后，他们观察这七个宇宙“快照”与ΛCDM模型预测的演化历程有多吻合，并同时考虑其他理论的表现——比如那些允许暗能量在不同宇宙“快照”间有所变化的理论。 仅凭DESI第一年的数据，在这些宇宙“快照”中，ΛCDM模型与暗能量可变模型的表现几乎同样出色。只有当合作组将DESI观测到的宇宙地图与其他“快照”结合起来——包括宇宙微波背景辐射及最近的三张超新星宇宙地图，这两种理论才开始出现分歧。 他们发现，对于他们用到的三份超新星星表，结果相对ΛCDM模型分别偏离了2.5、3.5和3.9个σ。打个比方，这相当于抛100次硬币时，在硬币本身没有任何异常的前提下，理论上应当是50次正面和50次反面。如果结果出现了60次正面，那它就偏离平均值2个σ；在完全随机（而不是硬币被动了手脚）的情况下，这个结果的出现概率是二十分之一。而如果出现了75次正面，这就是偏离平均值5个σ——这种情况出现的概率仅为两百万分之一。偏离5σ通常被认为是物理学中确认发现的金标准。DESI团队的结果介于这两者之间，意味着它们可能是罕见的统计涨落，但也可能是暗能量发生变化的确凿证据。 虽然研究人员看到这些数字异常兴奋，但他们也指出，不应过度解读这个偏高的数值。宇宙要远比抛硬币复杂得多，而且这个统计显著性依赖于数据分析过程中一些细微的假设。 另一个更令人兴奋的原因是，三份超新星星表涵盖的超新星样本相对独立，却都暗示暗能量在以相同的方式发生变化：其作用正在减弱。用宇宙学家的话说，就是暗能量“解冻”了。“当我们更换这些互补的数据集时，它们得出的结果都趋向于收敛到这个略微偏负的数值上。”布鲁说道。如果暗能量与标准模型的差异来自于统计涨落，那么各个数据集的结果更可能会偏向不同的方向。 美国芝加哥大学的宇宙学家、DESI团队成员乔舒亚·弗里曼（Joshua Frieman）并未参与这次数据分析，他表示，如果ΛCDM模型被推翻了，他会很高兴。作为一名理论物理学家，早在20世纪90年代初，他就提出了暗能量“解冻”的理论。最近，他还和其他天文学家一同发起了暗能量巡天项目（Dark Energy Survey）。该项目从2013年开始观测，至2019年结束，致力于寻找暗能量偏离标准模型的迹象，DESI所使用的三份超新星星表中就有一份是该项目创建的。但他也记得自己曾因宇宙学异常现象的消失而感到失望。他笑称：“对于这个结果我非常好奇，但在误差进一步缩小之前，我不会急着写我的诺贝尔奖获奖感言。” “从统计上讲，这种差异可能会消失。”布鲁在谈及结果与ΛCDM模型的差异时表示，“我们现在正在全力以赴分析结果，想弄清楚它的真面目。” DESI团队在今年四月初完成了第三年的观测工作，他们预计下一版本的宇宙地图中包含的星系数量几乎是这次公布的两倍。他们在重子声学振荡分析方面也愈发熟练，计划着尽快发布包含三年观测数据的新宇宙地图，而接下来的是包含五年观测数据的地图，里面将包含4000万个星系。 在DESI之外，未来几年内还将有一系列的新望远镜投入使用，包括位于智利的8.4米薇拉·鲁宾天文台（Vera Rubin Observatory），美国航空航天局的南希·格雷丝·罗曼空间望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）以及欧洲空间局的欧几里得空间望远镜（Euclid mission）。 “过去25年里，我们在宇宙学的观测数据上取得了巨大飞跃，接下来，我们会迎来更大的突破。”弗里曼说道。 随着新观测数据的积累，研究人员可能会发现暗能量是那个一如既往的宇宙学常数，或者，如果趋势朝着DESI结果暗示的方向发展，现有的理论会被搅得天翻地覆。 新物理 许多宇宙学家认为，在宇宙诞生时，在某个场的作用下，宇宙在极短时间内发生指数级膨胀，如果暗能量正在衰减，那它就不可能是一个宇宙学上的常数，而可能是这种场。这种标量场会使空间本身带有一种似乎恒定的能量，就像宇宙学常数那样，但会随着时间推移逐渐减弱。 “暗能量会发生变化这一想法是非常自然的。”美国普林斯顿大学的宇宙学家，保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）说道。“否则，它将是我们所知的唯一在空间和时间上完全恒定的能量形式。” 然而，如果暗能量真的与空间本身的能量有关，它的可变性就会引发一场深刻的范式转变：我们并非生活在“真空”中，我们并非处在宇宙的最低能量状态，而是处于一个含有一定能量的状态中，并且它还在缓慢地滑向真正的真空。“我们习惯性地认为自己生活在真空中，”斯坦哈特说道，“但这并不是理所当然的结论。” 宇宙的命运将取决于前“宇宙学常数”下降得有多快，以及它会降得有多低。如果最后达到零，宇宙加速膨胀将会停止，如果它降到足够低的负值，空间的扩张将转变为缓慢的收缩——这是就是斯坦哈特等人提出的循环宇宙理论里所需要的逆转。 弦论学家也持有类似的观点，他们认为一切来自于弦的振动，借助弦论，他们可以构建出不同维度的宇宙以及各种形式的力和奇特粒子。但他们很难搭建一个能够稳定维持正能量的宇宙——正如我们的宇宙现在所展现的那样。 在弦论中，能量要么在数十亿年间缓慢下降，或者剧烈下跌，最后直到零或者某个负值为止。“基本上，所有弦论学家都相信这两者必有其一，但我们不知道哪一种是真的，”美国哈佛大学的库姆伦·瓦法（Cumrun Vafa）说道。 如果观测证实暗能量正在衰减，那将是对缓慢下降这一方的有力证据。“那样的结果将非常令人兴奋，将会成为自发现暗能量以来最重要的发现。”瓦法说道。 但目前，这些猜测和DESI分析的关联仍然非常松散，宇宙学家在认真考虑这些革命性的想法前，还需要观测数百万个星系。 “如果这一发现成立，它将会为我们提供另一种可能更深刻理解宇宙的思路。”里斯说道，“让我们在未来几年里拭目以待。” 本文节选自《环球科学》2024年11月刊文章：《暗能量正在减弱？》，且原刊于由西蒙斯基金会发起的Quanta Magazine，原标题为“Dark Energy May Be Weakening, Major Astrophysics Study Finds”