暗能量正在踩刹车？DESI发现宇宙或在停止加速

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作者：Paul Sutter

翻译：张瀚之

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

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

图片来源: DESI Collaboration

在宇宙学界中，暗能量一直被认为是个固定的背景板。不过近期，由全球70多个科研机构共同组建的暗能量光谱巡天（DESI）合作组向人类投下了一枚重磅炸弹：他们发现了一条虽不算强烈但相当重要的线索——暗能量可能会随着时间推移而逐渐变弱。这令人震惊的线索是DESI多年艰苦数据分析的结晶。虽然并非百分之百铁证如山，但足以让我们的宇宙变得更加耐人寻味……

虽然现在再来讨论这个2024年发布的数据有些晚了，不过没关系，因为第一，这类结果信息量巨大，需要慢慢拆解。第二，这项结果短期内不会被推翻或更新，所以我们有充足的时间来慢慢聊一聊，这到底意味着什么。

DESI 巡天计划

我们先从结果本身以及它是如何得出的说起吧！DESI 位于美国亚利桑那州东南部基特峰上，本体是一个口径约 4 米的望远镜。DESI合作组的目标是大规模星系巡天，而为了实现这一巡天，望远镜本体下方配备了 5000 条由机器人精确控制的光纤。每个夜晚，DESI望远镜会选定天空中的一片区域，然后机器人 们会把光纤移动到对应这片区域内每一个星系的位置上，望远镜里的精妙仪器再为每个星系记录详细的数据。然后第二个夜晚再来一遍，第三个夜晚再来一遍，如此循环往复。

图片来源: DESI Collaboration

到目前为止，DESI已经累积了 1300 多万个星系的数据，这个目录是人类历史上最大、最全面的星系位置巡天数据集。而这还只是开始。DESI项目的最终目标是在巡天结束时观测至少5000 万个星系。

大家猜一猜DESI望远镜里哪个部件最帅？那必须得是由机器人控制的光纤，它们真的是game changer！从许多方面来看，DESI 绝对是上一代巡天（斯隆数字巡天SDSS）的继任者。虽然SDSS 的设备架构与 DESI 类似，不过当年移动光纤的不是机器人...而是研究生！虽然可能成本更低，但效率肯定远不如机器人。

图片来源: DESI Collaboration

DESI 巡天覆盖的星系数量虽然不足可观测宇宙全部星系的 1%，但仍然会是一个庞大的样本。那么，拥有这样一张覆盖整个宇宙相当一部分区域的地图，我们能拿它做什么呢？

BAO：宇宙给我们留下的标准尺

星系在超大尺度上的排列信息能告诉我们许多关于宇宙的事情。而在这次 DESI 的分析中，他们使用的关键特征之一，就是宇宙大尺度结构中的重子声学振荡（baryon acoustic oscillations，简称 BAO）。

很久很久以前，宇宙比现在小得多、热得多、密得多。如果有人问你大爆炸理论到底讲什么？我前面说得这句话，就是答案啦。事实上，数十亿年前，当宇宙只有几十万岁时，它的体积比现在小一百万倍，温度也高出几千度，所有物质都紧挤在一起，以高能等离子体形式存在。这种状态与太阳内部或闪电中的物质状态相同，而且当时这种等离子体充满整个宇宙。

和任何致密介质一样，宇宙中出现了声波。这些声波中有许多是由引力与辐射之间的角力产生的。密度高的物质团块会在自身引力作用下塌缩，但塌缩会使它们升温并发出辐射，而这些辐射又会将物质向外推。

这种来回过程会持续进行，直到宇宙冷却到光子可以自由传播时。那一刻开始，辐射不再参与这场角力，声波也会被卡在某一个状态上。声波停下的位置成为额外引力的来源，形成一个密度略高的球壳。

事实上，我们甚至能给这些球壳结构拍照。也就是那些重子声学振荡BAO。当时被释放出来的光至今仍然存在，我们还能拍下它，这就是宇宙微波背景（CMB）。总结来说，BAO是早期宇宙中由于原初等离子体中的声学密度波引起的，在宇宙可见重子物质密度上产生的波动。它就像一个标准尺，人们可以用它测量宇宙的大尺度结构，然后研究宇宙加速膨胀的原因（天文学家们认为是暗能量）。

图片来源：Gabriela Secara/Perimeter Institute

这些额外密度的壳层并不会在一段时间后消失。它们会一直存在，并在接下来数十亿年中不断吸引更多物质，让自己的壳比周围更致密。今天，我们观测到的 BAO 的直径大约能有 8 亿光年！

最酷的地方在于，因为我们知道BAO理论上的大小是多少（从宇宙微波背景推今天的尺度，计算相对直接），所以我们可以用把理论尺度与它们在天空中实际的观测尺度进行比较。它们呈现出的大小取决于宇宙学参数，也就是描述宇宙的性质、历史与演化的量。

现在回归我们的主题：这次DESI 测得的 BAO 壳层数据和天文学家们的想法有点“对不太上”。它们的大小与我们常规的宇宙学模型并不完全契合。相反，它们似乎更符合另一种宇宙图景：暗能量会随着时间发生演化。

如果暗能量真的在衰减，

宇宙命运会怎样？

要理解暗能量，我们得先明白一件更离谱的事情。宇宙不仅在膨胀，而且还越膨胀越快。按常理说，引力会把一切拉在一起，宇宙应该越走越慢才对。但之前的观测告诉我们，宇宙反而像是踩着油门一路加速冲向未来。于是天文学家不得不提出一个看不见、摸不着、不会发光、不会吸光的奇怪“东西”来解释这个现象。它不像暗物质那样提供额外引力，相反，它推动着时空本身不断向外扩张。这就是暗能量。

暗能量占宇宙总能量的 68%，是宇宙中最大的能量成分，却也是我们最不了解的成分。我们不知道它是什么、从哪里来、有没有内部结构，甚至不知道它会不会会随时间改变（我们之前猜它不会）。我们唯一真正知道的，是它的存在让宇宙膨胀越来越快。

所以当 DESI 提示暗能量可能开始力不从心时，事态就变得刺激起来：如果推动宇宙膨胀的主力真的在变弱，那宇宙的未来剧情也许要彻底改写。

DESI告诉我们，之前的模型恐怕是错误的，现在暗能量已经在慢慢刹车。但DESI答不出来暗能量究竟是什么。这恐怕正是天文学最迷人的地方，答案常常指向更大的谜题，而谜题又会引着我们猜测向更宏伟的宇宙图景。DESI 的新结果并不是要推翻什么，而是告诉我们，宇宙有可能在以另一种我们不知道形式闪烁。

也许暗能量真的会随时间变弱，也许它从未保持恒定，只是我们过去的观测精度无法看见其微妙变化。又或许，宇宙正在用一种我们尚未理解的语言，向我们透露它的未来计划。

未来 DESI 会将观测扩大到五千万个星系。同时，欧几里得空间望远镜、维拉鲁宾天文台、南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜等新项目也即将加入这场探索。无论如何，有一点是确定的：宇宙，就像我们第一次斗胆猜想它时一样，巨大、陌生、充满惊喜，而DESI带着我们正站在一个可能翻开新篇章的新起点。

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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西班牙舞者旋涡星系

图片来源：ESA, NASA, Hubble

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