暗能量会演化？

近期，暗能量光谱仪 (DESI) 合作组发布了新的宇宙膨胀天图，发现暗能量或许并非恒定不变，宇宙学标准模型可能需要重大修正？

编译 | 徐仁新（北京大学）

近一个世纪以来，人们一直知道宇宙在膨胀，仅四分之一世纪前又发现膨胀正在加速 (获得2011年度诺贝尔物理学奖)。究竟何种神秘力量 (称为“暗能量”) 驱动这一加速膨胀？最简单的解释源自爱因斯坦的“宇宙常数” (Λ)，即暗能量乃时空内禀属性；它是标准宇宙学模型的基石。数十年来，人们用带宇宙学常数的冷暗物质模型 (即ΛCDM) 解释所有天文观测，而新的高精度观测正在对该模型进行最严格的检验。“暗能量光谱仪 (DESI) ”项目绘制出了前所未有的大尺度天图 (如下图所示)，发现暗能量或许并非恒定不变。这意味着我们对宇宙的认知可能需要重大修正。

DESI前三年数据的切片，绘制了迄今最大的宇宙天图

刻画宇宙的膨胀史需要一把确定物理尺寸的“标尺”。宇宙幼年时残留的涟漪，即重子声波振荡 (BAO)，可以充当这把尺子。大爆炸约38万年后，早期等离子体中的声波从高密度区向外传播，正如石子投入池塘激起涟漪那样。宇宙膨胀、冷却到一定时期，光子与物质脱耦，BAO涟漪被有效“冻结”，在空间上留下的印记就会体现一个特征尺度。这一尺度可通过星系等密度的微小涨落来测量。

通过观测宇宙不同历史时期标尺的大小，人们即可测算宇宙膨胀率的时间演化。DESI巡天传承自此前的SDSS，且规模更大；它绘制了数千万天体的三维空间分布。该巡天选用不同类型的天体来“示踪”不同时期的宇宙。针对近邻宇宙 (红移z 低于0.4)，采用“亮星系巡天”样本。再通过“亮红星系”和“发射线星系”探测更远的宇宙。对于高红移(z >2)情形，DESI利用类星体来示踪。类星体辐射穿越宇宙网、薄片和空洞后形成氢元素的吸收谱线，即莱曼—阿尔法森林，它们可示踪宇宙重子物质分布的结构。DESI通过观测82万余类星体的光谱并分析莱曼—阿尔法森林，探测到了110亿年前的宇宙。

这项研究整合了所有示踪天体 (从近邻星系到遥远类星体)，绘制出了迄今最全的宇宙天图。DESI巡天前三年即获得超过千万个星系和类星体的数据，并且测量精度惊人：BAO尺度误差低于1%，比首次发布时提升了30%至50%。

DESI团队发现，这些观测数据能够很好地与标准模型ΛCDM吻合，但其最佳拟合参数与宇宙微波背景辐射观测给出的结果之间存在微小、却日益明显的差异。尽管数年前DESI与CMB的分析结果在误差范围内保持一致，但新结果还是揭示了潜在分歧：两种方法的不一致性达到2.3倍标准差。当然，这一偏离尚未达到宣称新发现的地步，却极具研究价值。

设想暗能量并非是宇宙学常数？这将是戏剧性的。DESI团队探索了较灵活的模型，让暗能量“状态方程”的关键参数w (定义为压强与密度之比) 随时间变化 (在ΛCDM模型中恒有w=-1)。允许w随时间演化即能更好地拟合DESI数据。值得注意的是：将DESI数据与宇宙微波背景辐射、超新星等其他观测结合起来研究时，暗能量演化的显著性达4.2倍标准差，暗示着暗能量最近可能增强了。若最终获得证实，这将是里程碑式的突破。

我们身处一个激动人心的时代。虽然DESI的结果并未明确推翻标准模型，但是它强烈暗示ΛCDM模型可能存在缺陷。DESI的高精度测量也是革命性的：关于暗能量的任何新理论都必须与这些宇宙膨胀史测量数据一致。

注意：DESI的研究还在深入开展。这里的结果仅基于五年巡天计划中前三年的数据，而未来更庞大的数据集有望降低统计误差，明确暗能量是否演化。当然，DESI跟其他项目的协同观测也同样重要，如欧几里得卫星、鲁宾天文台等。

未来无外乎三种可能：巩固标准模型、审视系统误差、发现暗能量演化，结局都将是意义深远的。让我们期待DESI发布全部五年观测的分析结果！

编译来源

Matteo Viel. Physics，October 6，2025

本文经授权转载自微信公众号“中国物理学会期刊网”。

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