新的宇宙3D地图表明暗能量比我们想象得还要奇怪

暗能量比我们想象的还要奇怪，新的宇宙3D地图表明。“活在这个时代真好！”

“活在这个时代真好！”

“宇宙永远不会停止让我们感到惊奇和惊喜。”

暗能量光谱仪（DESI）的新结果表明，加速宇宙膨胀的未知力量并不是我们认为的那样。这暗示着我们关于宇宙演化的最佳理论，即宇宙学的标准模型，可能是错误的。

新发布的DESI数据来自其前三年的观测数据，继续构建着有史以来最大的宇宙3D地图，该仪器安装在基特峰国家天文台的尼古拉斯·乌尔里希·梅奥尔4米望远镜上。到明年DESI完成其五年任务时，该仪器将测量来自大约5000万个星系和黑洞供能的类星体的光，以及超过1000万颗恒星的星光。

DESI能够同时捕获来自5000个星系的光，这使其能进行足够大的调查，是研究暗能量特性的理想工具。这项新的分析侧重于DESI观测前三年的数据，包括近1500万个测量效果最好的星系和类星体。

一部分的DESI数据绘制了从地球（中心）到数十亿光年外的天体。这些天体里有临近的明亮星系（黄色）、发光的红色星系（橙色）、发射线星系（蓝色）和类星体（绿色）。在插图中可以看到宇宙的大尺度结构，该图像显示了最密集的调查区域，低于DESI调查总体积的0.1%。

（图片来源：DESI协作/美国能源部/基特峰国家天文台/国家光学红外天文学研究实验室/国家科学基金会/大学天文研究协会/克莱尔·拉曼）

“宇宙从未停止让我们感到惊奇和惊喜，”DESI项目科学家阿君·戴伊在一份报告中说道。“通过前所未有的方式揭示我们宇宙结构中不断发展的纹理，DESI和梅奥尔望远镜正在改变我们对宇宙和自然未来的理解。”

DESI可以改变我们对暗能量了解的一切

暗能量是宇宙中导致时空结构越来越快地膨胀、不断以更快的速度将星系推开的任何能量。

暗能量被认为占宇宙物质和能量的70%左右，被称为暗物质的神秘“物质”占另外25%，而组成恒星、行星、卫星、我们的身体和隔壁猫的普通物质只占5%。从本质上讲，我们对宇宙的了解，包括所有的化学和生物学，都包含在那5%中！

目前对暗能量身份的“最佳猜测”是宇宙学常数，即能量空间的真空能量，它被烤成我们称之为宇宙学标准模型或拉姆达冷暗物质模型（LCDM）的馅饼。然而，这个模型是建立在这样一个假设之上的，即暗能量（用希腊字母拉姆达Λ表示）随着时间的推移是恒定的。

真空能量描述了出现和消失的粒子的密度。虽然从“无”中出现的“某物”听起来很疯狂，但你可以把它想象成宇宙有一个透支设施，成对的虚拟粒子被允许从宇宙中“借用”一些能量来存在，只要它们通过相遇和湮灭来偿还这些能量。

DESI第3年的一小部分数据显示了由重力创建的、有史以来最大的宇宙3D地图的结构。

（图片来源：DESI协作/美国能源部/基特峰国家天文台/国家光学红外天文学研究实验室/国家科学基金会/大学天文研究协会/罗伯特·普洛克托）

单独看的话，DESI的研究结果实际上并没有超越用LCDM模型生成的暗能量图片。但当DESI 数据与宇宙的其他测量值进行比较时，宇宙学常数的问题就开始显现了。

DESI不止一次暗示着暗能量并不是恒定的，而是随着时间的推移而变化着的。具体来说，这种加速的“推动”似乎正在减弱。

这些测量包括我们对大爆炸后不久发生的被称为“最后一次散射”的事件遗留下来的“化石”光的观测，当时宇宙已经膨胀和冷却到足以让电子与质子结合并形成第一个中性原子了。

自由电子的消失突然使光子（构成光的粒子）能够自由传播。换句话说，仿佛宇宙的迷雾已经散去，宇宙变得透明。这第一道光被称为“宇宙微波背景”或“CMB”，今天仍然可以观察到。

在早期宇宙中，微小的变化或“皱纹”通过物质密度波动被“冻结”到CMB中，称为重子声学振荡（BAO）。随着宇宙的不断膨胀，这些皱纹也随之扩大。它们的大小在不同的宇宙时间会有所不同，因此BAO皱纹可以作为测量宇宙膨胀的标尺，这种变化是由于当时宇宙膨胀的速度很快而引起的。

因此，测量BAO可以揭示整个宇宙历史中暗能量的强度，而DESI可以比其他任何仪器更精确地做到这一点。

DESI新暗能量分析的等值线图，显示了对演化暗能量参数的约束。

（图片来源：DESI协作/美国能源部/基特峰国家天文台/国家光学红外天文学研究实验室/国家科学基金会/大学天文研究协会/克里斯蒂安·加西亚·金特罗）

当DESI数据与la型超新星的观测结果进行比较时，也暗示了暗能量本身的变化，la型超新星是当白矮星“过度喂养”伴星时发生的宇宙爆炸。这些被盗的材料堆积在恒星残骸的表面直到触发热核剧涨。

la型超新星的光输出非常均匀，以至于天文学家可以将它们用作测量宇宙距离的“标准蜡烛”。事实上，早在1998年，la型超新星就对于发现宇宙膨胀正在加速，即暗能量的起源是不可或缺的。

la型超新星的示图，一颗白矮星在对恒星伴星过度喂食时爆炸。

（图片来源：欧洲航天局）

这些距离测量之所以成为可能，是因为一种称为“红移”的现象，当行光的波长在穿过膨胀的宇宙时被拉伸就会发生这种现象。光传播的时间越长，向电磁波谱长波长“红端”的偏移就越极端。这意味着测量一个众所周知且始终如一的光源的红移（标准蜡烛）可以给出距离测量值。

DESI数据还可以与对一种称为“引力透镜”的效应观测相结合，“引力透镜”是来自遥远星系的光被大质量的前景物体扭曲，以显示不断发展的暗能量的特征。

暗能量的演化还不够强大，不足以被视为一项“发现”，但数据与其他观测的不同组合正在将这一概念推向物理学中的“黄金标准”。

天文学家准备深入研究 DESI 数据

除了在周三（3月19日）公布的这些最新暗能量结果外，DESI协作还宣布，其数据版本1（DR1）现在可供任何人通过国家能源研究科学计算中心（NERSC）进行探索。

DR1包含有关1870万个宇宙天体的信息，包括大约400万颗恒星、1310万个星系和160万个类星体。

基特峰天文台的尼古拉斯·乌尔里希·梅奥尔4米望远镜，上面有银河系。

（图片来源：DESI协作/美国能源部/基特峰国家天文台/国家光学红外天文学研究实验室/国家科学基金会/大学天文研究协会/彼得·霍拉莱克（奥帕瓦物理研究所））

卢斯·安赫拉·加西亚·佩纳洛萨是DESI团队的前成员，也是哥伦比亚工业职业学院的宇宙学家，他只是一位对新的DESI结果以及DR1现在可供一般天文学界使用的事实感到兴奋的科学家，Space.com说道。

“我也很高兴地发现DESI已经发布了大约1900万个星系和类星体的红移信息。我们在不到10年的时间里将已识别的星系数量增加了一个数量级！加西亚·佩纳洛萨说道。“最吸引人的结果是，不同的观测结果，DESI的BAO与普朗克的CMB数据相结合，以及Ia型超新星的三组主要光度距离，都为不断发展的暗能量模型提供了更有力的依据，不利于宇宙学常数。

“这与其他独立的宇宙学测试越来越一致，这些测试似乎为探索和研究暗能量和宇宙加速膨胀的新方法打开了一扇机会之窗。”

DR1数据的可用性意味着除DESI协作之外的天文学家现在可以深入研究2021年5月至2022年6月期间收集的庞大数据集。

“我们的结果为我们研究理论的同事提供了肥沃的土壤，因为他们正在研究新的和现有的模型，我们为他们提出来的东西感到高兴，”伯克利实验室的科学家、DESI主任迈克尔·莱维说道。“无论暗能量的本质是什么，它都会塑造我们宇宙的未来。

“我们可以用望远镜仰望天空，并试图回答人类有史以来最大的问题之一，这真是太了不起了。”

与此同时，DESI协作正准备开始对新数据集进行更多分析，以挖掘更多发现，DESI本身也在其运营的第四年中继续收集数据。

“太棒了，”加西亚·佩纳洛萨总结道。“活在这个时代并成为一名宇宙学家是多么美好啊！”

DESI数据在此处提供的一系列论文中被讨论。

BY:Robert Lea

FY:李木

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