驅使宇宙加速膨脹的神秘暗能量，可能會隨着時間略微減弱，物理學家已經推斷出了一些微妙的線索。這一發現可能撼動物理學大廈的基礎。「如果屬實，這將是25年來我們第一次獲得有關暗能量本質的真正線索。」美國約翰·霍普金斯大學的天體物理學家亞當·里斯（Adam Riess）說道，他曾在1998年共同發現暗能量，並在2011年獲得諾貝爾物理學獎。
這個最新觀測結果來自暗能量光譜儀（DESI）團隊。該團隊在2024年4月4日發佈了一幅規模空前的宇宙地圖，並附帶了大量從該地圖得出的觀測結果。對許多研究人員而言，最引人注目的是其中的一張圖表，該圖表顯示，三種不同的觀測組合都導向了同一個結果——暗能量的影響可能隨着時間推移在逐漸減弱。
「我們可能找到了暗能量演化的痕跡。」美國波士頓大學的迪利恩·布魯（Dillon Brout）說道，他是DESI團隊的成員之一。
無論是合作團隊內部還是外部的研究人員都強調，目前所獲得的證據仍不足以支撐這個發現。觀測結果雖然傾向暗能量正在減弱，但統計上的顯著性只有中等水平，可能會隨着數據量的增加而消失。不過天文學家也指出，三組不同的觀測結果都指向同一個令人興奮的方向：它與暗能量標準模型相衝突。這一標準模型認為，暗能量是空間中內稟的真空能，也就是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）由於其不變性而稱為「宇宙學常數」的量。
「真是激動人心的結果，」英國樸茨茅夫大學的宇宙學家塞什·那達圖爾（Sesh Nadathur）說道，他參與了DESI的數據分析工作。「如果暗能量不是一個宇宙學常數，這將是一個重大發現。」
宇宙學常數的崛起
1998年，里斯的團隊與索爾·帕爾馬特（Saul Perlmutter）帶領的另一組天文學家一同合作，利用幾十顆遙遠的死亡恆星——超新星的光芒來研究宇宙的結構。他們發現，隨着宇宙年齡的增長，它的膨脹速度也在加快。
根據愛因斯坦的廣義相對論，任何形式的物質或者能量都能驅使宇宙的膨脹。但隨着空間擴張，所有我們熟悉的物質和能量都會在更廣闊的宇宙中變得更加稀薄。隨着它們密度的下降，宇宙膨脹應該減緩而不是加速。
然而，有一種物質不會被空間膨脹稀釋——那就是空間本身。如果真空自身就蘊含着一定的能量，也就是真空的內稟能量，那隨着更多真空（意味着更多能量）的產生，宇宙的總能量越來越多，宇宙膨脹就會隨之加快，正如里斯和帕爾馬特團隊所觀測到的那樣。他們對宇宙加速膨脹的發現揭示了一種與真空關聯的能量，這就是暗能量。和常規物質相比，這種能量密度極低，但均勻分佈在所有宇宙空間中，導致宇宙中68%的能量都是暗能量。
碰巧的是，愛因斯坦在創立廣義相對論時就考慮過這種可能性。為了防止物質稀釋導致宇宙塌縮，他設想在整個空間內可能蘊含着一定的額外能量，這種能量以符號Λ（拉姆達）表示，也就是宇宙學常數。雖然愛因斯坦的直覺並不準確，宇宙並不如他設想的那樣穩定，但在1998年，當我們發現空間似乎將一切向外推動時，他的宇宙學常數被人們回想了起來，並一躍成為當前宇宙學標準模型的核心。這個宇宙學模型被稱為含宇宙學常數的冷暗物質模型（ΛCDM模型），它由一系描述宇宙整體的方程組成，其中一個重要的方程中，宇宙學常數和宇宙中的物質、輻射和曲率共同決定了宇宙的演化狀態。
「它很簡單，就只是一個數字，背後有一定的解釋，這就是為什麼它被認為是一個常數。」理論宇宙學家利西亞·韋爾德（Licia Verde）說，她是DESI團隊成員之一。
如今，憑藉着新一代的望遠鏡，年輕一代的宇宙學家或許能看到一個更精彩的故事。
測繪天穹
其中一個望遠鏡坐落在美國亞利桑那州的基特峰上。DESI團隊為這台望遠鏡的四米鏡面配備了5000根能自動轉向目標天體的光纖定位機械人。這種自動化操作使得數據收集速度遠快於上一代的星系巡天領頭項目——斯隆數字巡天（SDSS），後者使用的類似的光纖需要手動插入到預先設計好的金屬板中。DESI的最新記錄是在一個晚上記錄下近20萬個星系的位置。
從2021年5月到2022年6月，這些光纖定位機械人捕捉到了從宇宙歷史各個時期出發到達地球的光子。DESI的研究人員隨後將這些數據轉化為迄今為止最詳細的宇宙地圖。該地圖展示了大約600萬個星系的精確位置，它們大概存在於20億到120億年前（宇宙有約138億年的歷史）。「DESI是一個非常出色的觀測項目，產出的數據令人驚嘆，」里斯說。
DESI能夠精準測繪的秘訣在於它收集星系光譜的能力——這種信息詳盡的圖譜記錄了每種顏色光的強度。光譜反映了星系遠離我們的速度，於是通過光譜，我們可以確定所看到的星系位於宇宙的哪一個時期（星系退行速度越快，它就越古老）。這使我們得以定位星系的相對位置，但想以地球為原點校準宇宙地圖的正確距離——這是重建整個宇宙歷史的關鍵信息，我們還需要另一個關鍵數據。
對於DESI團隊來說，這一關鍵數據就是早期宇宙留下的密度波紋，它們像拼圖般被一塊一塊地定格在空間中。在大爆炸後的前幾十萬年裏，宇宙像是一鍋由物質和光組成的熾熱濃湯。引力將物質向內拉，光則將其向外推，這場拉鋸戰使湯里的原初高密度點產生了密度波紋並漸漸向外擴散。在宇宙冷卻後，原子形成，宇宙變得透明，光得以向外逃逸，留下這些波紋定格在原地——這就是所謂的重子聲學振盪（BAO）。
這一系列過程留下的最終結果是形成一系列層層疊疊的球體，在外殼處物質相對密集一些，它們的直徑大約為十億光年——這是重子聲學振盪在被定格前傳播的距離。在這些物質較為密集的球殼區域形成的星系會略多於其他位置。當DESI的研究人員繪製包含數百萬個星系的地圖時，他們就能夠探測到這些球形區域的蹤跡。較靠近我們的球體看上去要比遠處的大，但由於DESI的研究人員知道這些球體的實際大小相同，他們可以據此判斷這些星系距離地球有多遠，並相應地調整這幅地圖中的距離關係。
為了避免無意中影響結果，研究人員進行了「盲法分析」，即在處理觀測數據時將其隨機打亂，掩蓋其中蘊含的任何物理信息。隨後，在去年12月，合作組在夏威夷召開會議，解讀被隱藏的結果，一起查看基特峰的光纖定位機械人到底觀測到了一幅怎樣的地圖。
當時納達圖爾正在英國的家中線上觀看現場直播，當那幅地圖揭曉時，他激動萬分，因為這個結果看起來有一些不同尋常。「如果你對重子聲學振盪的數據有足夠的經驗，你會發現我們需要一些不同於標準模型的東西，」他說道，「我知道ΛCDM模型並不能完全解釋這一切。」
在接下來的一周里，研究人員仔細檢查這個新數據集，進行分析並與其他大型宇宙學巡天數據集相結合。他們發現了造成異常的原因，並在聊天軟件上展開了激烈的討論。
「一位同事發佈了一張關於暗能量限制的數據結果圖，他什麼都沒說，只發了圖和一個腦袋爆炸的表情，」納達圖爾說道。
日積月累
DESI的目標是通過觀測宇宙歷史上七個時期中不同類型的星系，精確測定宇宙隨時間膨脹的過程。然後，他們觀察這七個宇宙「快照」與ΛCDM模型預測的演化歷程有多吻合，並同時考慮其他理論的表現——比如那些允許暗能量在不同宇宙「快照」間有所變化的理論。
僅憑DESI第一年的數據，在這些宇宙「快照」中，ΛCDM模型與暗能量可變模型的表現幾乎同樣出色。只有當合作組將DESI觀測到的宇宙地圖與其他「快照」結合起來——包括宇宙微波背景輻射及最近的三張超新星宇宙地圖，這兩種理論才開始出現分歧。
他們發現，對於他們用到的三份超新星星表，結果相對ΛCDM模型分別偏離了2.5、3.5和3.9個σ。打個比方，這相當於拋100次硬幣時，在硬幣本身沒有任何異常的前提下，理論上應當是50次正面和50次反面。如果結果出現了60次正面，那它就偏離平均值2個σ；在完全隨機（而不是硬幣被動了手腳）的情況下，這個結果的出現概率是二十分之一。而如果出現了75次正面，這就是偏離平均值5個σ——這種情況出現的概率僅為兩百萬分之一。偏離5σ通常被認為是物理學中確認發現的金標準。DESI團隊的結果介於這兩者之間，意味着它們可能是罕見的統計漲落，但也可能是暗能量發生變化的確鑿證據。
雖然研究人員看到這些數字異常興奮，但他們也指出，不應過度解讀這個偏高的數值。宇宙要遠比拋硬幣複雜得多，而且這個統計顯著性依賴於數據分析過程中一些細微的假設。
另一個更令人興奮的原因是，三份超新星星表涵蓋的超新星樣本相對獨立，卻都暗示暗能量在以相同的方式發生變化：其作用正在減弱。用宇宙學家的話說，就是暗能量「解凍」了。「當我們更換這些互補的數據集時，它們得出的結果都趨向於收斂到這個略微偏負的數值上。」布魯說道。如果暗能量與標準模型的差異來自於統計漲落，那麼各個數據集的結果更可能會偏向不同的方向。
美國芝加哥大學的宇宙學家、DESI團隊成員喬舒亞·弗里曼（Joshua Frieman）並未參與這次數據分析，他表示，如果ΛCDM模型被推翻了，他會很高興。作為一名理論物理學家，早在20世紀90年代初，他就提出了暗能量「解凍」的理論。最近，他還和其他天文學家一同發起了暗能量巡天項目（Dark Energy Survey）。該項目從2013年開始觀測，至2019年結束，致力於尋找暗能量偏離標準模型的跡象，DESI所使用的三份超新星星表中就有一份是該項目創建的。但他也記得自己曾因宇宙學異常現象的消失而感到失望。他笑稱：「對於這個結果我非常好奇，但在誤差進一步縮小之前，我不會急着寫我的諾貝爾獎獲獎感言。」
「從統計上講，這種差異可能會消失。」布魯在談及結果與ΛCDM模型的差異時表示，「我們現在正在全力以赴分析結果，想弄清楚它的真面目。」
DESI團隊在今年四月初完成了第三年的觀測工作，他們預計下一版本的宇宙地圖中包含的星係數量幾乎是這次公佈的兩倍。他們在重子聲學振盪分析方面也愈發熟練，計劃着儘快發佈包含三年觀測數據的新宇宙地圖，而接下來的是包含五年觀測數據的地圖，裏面將包含4000萬個星系。
在DESI之外，未來幾年內還將有一系列的新望遠鏡投入使用，包括位於智利的8.4米薇拉·魯賓天文台（Vera Rubin Observatory），美國航空航天局的南希·格雷絲·羅曼空間望遠鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope）以及歐洲空間局的歐幾里得空間望遠鏡（Euclid mission）。
「過去25年裏，我們在宇宙學的觀測數據上取得了巨大飛躍，接下來，我們會迎來更大的突破。」弗里曼說道。
隨着新觀測數據的積累，研究人員可能會發現暗能量是那個一如既往的宇宙學常數，或者，如果趨勢朝着DESI結果暗示的方向發展，現有的理論會被攪得天翻地覆。
新物理
許多宇宙學家認為，在宇宙誕生時，在某個場的作用下，宇宙在極短時間內發生指數級膨脹，如果暗能量正在衰減，那它就不可能是一個宇宙學上的常數，而可能是這種場。這種標量場會使空間本身帶有一種似乎恆定的能量，就像宇宙學常數那樣，但會隨着時間推移逐漸減弱。
「暗能量會發生變化這一想法是非常自然的。」美國普林斯頓大學的宇宙學家，保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）說道。「否則，它將是我們所知的唯一在空間和時間上完全恆定的能量形式。」
然而，如果暗能量真的與空間本身的能量有關，它的可變性就會引發一場深刻的範式轉變：我們並非生活在「真空」中，我們並非處在宇宙的最低能量狀態，而是處於一個含有一定能量的狀態中，並且它還在緩慢地滑向真正的真空。「我們習慣性地認為自己生活在真空中，」斯坦哈特說道，「但這並不是理所當然的結論。」
宇宙的命運將取決於前「宇宙學常數」下降得有多快，以及它會降得有多低。如果最後達到零，宇宙加速膨脹將會停止，如果它降到足夠低的負值，空間的擴張將轉變為緩慢的收縮——這是就是斯坦哈特等人提出的循環宇宙理論里所需要的逆轉。
弦論學家也持有類似的觀點，他們認為一切來自於弦的振動，藉助弦論，他們可以構建出不同維度的宇宙以及各種形式的力和奇特粒子。但他們很難搭建一個能夠穩定維持正能量的宇宙——正如我們的宇宙現在所展現的那樣。
在弦論中，能量要麼在數十億年間緩慢下降，或者劇烈下跌，最後直到零或者某個負值為止。「基本上，所有弦論學家都相信這兩者必有其一，但我們不知道哪一種是真的，」美國哈佛大學的庫姆倫·瓦法（Cumrun Vafa）說道。
如果觀測證實暗能量正在衰減，那將是對緩慢下降這一方的有力證據。「那樣的結果將非常令人興奮，將會成為自發現暗能量以來最重要的發現。」瓦法說道。
但目前，這些猜測和DESI分析的關聯仍然非常鬆散，宇宙學家在認真考慮這些革命性的想法前，還需要觀測數百萬個星系。
「如果這一發現成立，它將會為我們提供另一種可能更深刻理解宇宙的思路。」里斯說道，「讓我們在未來幾年裏拭目以待。」
本文節選自《環球科學》2024年11月刊文章：《暗能量正在減弱？》，且原刊於由西蒙斯基金會發起的Quanta Magazine，原標題為「Dark Energy May Be Weakening, Major Astrophysics Study Finds」
