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cosmology

Is Dark Energy Getting Weaker? New Evidence Strengthens the Case.

By Charlie Wood March 19, 2025 去年，一张巨大的宇宙地图暗示，驱动宇宙膨胀的引擎可能正在减弱。现在，物理学家们带着一张更大的地图回来了，并得出了更有力的结论。 Comment Save Article Read Later 穿越暗能量光谱仪器（Dark Energy Spectroscopic Instrument，DESI）最新绘制的数百万星系地图的旅程。这张地图使得宇宙学家能够描绘数十亿年的宇宙膨胀历史。 DESI Collaboration

Introduction

By Charlie Wood Staff Writer March 19, 2025 View PDF/Print Mode astrophysics cosmology dark energy fundamental physics gravity physics All topics (opens a new tab) 去年春天，一个由近 1000 名宇宙学家组成的团队宣布，暗能量——这个神秘的推动宇宙以不断增加的速度膨胀的因素——可能正在减弱。这个重磅结果，基于该团队对数百万星系运动的观测以及其他数据，是初步的、试探性的。今天，科学家们报告说，他们分析了比之前多两倍的数据，这些数据更有力地指向相同的结论：暗能量正在失去动力。

“我们比去年更加确定这绝对是一回事，” Seshadri Nadathur (opens a new tab)说，他是暗能量光谱仪器（Dark Energy Spectroscopic Instrument，DESI）合作组织的成员，该组织是这项新成果的幕后推手。

他们的发现于今日在加利福尼亚州阿纳海姆举行的全球物理学峰会上提出，与另一组宇宙学家，即 400 人的暗能量调查（Dark Energy Survey，DES）的结果一致。同样观测了宇宙的巨大区域，DES 在本月早些时候发表的一篇论文以及今天在阿纳海姆会议上的一次演讲中报告了 (opens a new tab) 暗能量变化的证据。

“有趣的是，事情正朝着这个方向发展，而且多个实验都看到了与暗能量恒定不变的想法存在一些紧张关系，”位于杜克大学的 DES 团队成员 Michael Troxel (opens a new tab)说。

如果不断积累的证据表明暗能量正在演变，并且这一现象得到证实——但这并不能保证——它将颠覆宇宙学家对我们最终命运的理解。密度和压力恒定的暗能量将注定我们的宇宙永远膨胀下去，直到无法逾越的鸿沟将每个粒子与所有其他粒子隔离开来，扼杀所有的活动。但是，演变的暗能量使得另类的未来成为可能。“它挑战了宇宙的命运，”德克萨斯大学达拉斯分校的宇宙学家和 DESI 团队成员 Mustapha Ishak-Boushaki (opens a new tab)说。“这将改变游戏规则。”

演变或减弱的暗能量也将改写我们对当下现实的认识。最直接的观点是，暗能量是空间真空本身的能量，而这应该是量子物理学中一个永恒不变的特征。演变的暗能量将预示着某种额外的东西的存在，这是宇宙基本配方中先前未被检测到的成分。缺失的部分可能像一种新型粒子那样简单，或者它可能揭示了爱因斯坦引力理论的一个微妙的失败。它甚至可能引导研究人员走上一条以新的基本物理学理论结束的道路。

“听起来这将是一场范式转变，它将改变我们的理解以及我们如何将所有部分组合在一起的方式，” Ishak-Boushaki 说。

绘制宇宙地图

天体物理学家在 20 世纪 90 年代后期首次探测到暗能量的影响。两个团队观察了数十颗遥远的超新星，发现最遥远的那些超新星比预期的离我们的银河系更远。似乎有什么东西正在加速宇宙的膨胀。

理论物理学家确切地知道那“东西”应该是什么：空间本身的能量。在他的引力理论中，爱因斯坦注意到存在一个数学上的“宇宙学常数”——一种在任何地方都具有恒定密度和压力的能量，从而产生排斥力。至于这种能量的来源，物理学家知道量子场，这些实体负责电子和光子等粒子，为原本空旷的空间贡献了高能的活跃状态。这种能量太微弱了，以至于在几米的范围内不会产生影响，但在宇宙尺度上，它应该会累积起来，随着更多空间（以及因此更多的真空能量）的积累，更快地将星系彼此推开。宇宙膨胀确实正在加速这一发现，证明了物理学家对量子场和引力的理解，即使它提出了新的问题。 Share this article Facebook Copied! Copy link (opens a new tab) Email Pocket Reddit Ycombinator Newsletter Get Quanta Magazine delivered to your inbox Subscribe now Recent newsletters (opens a new tab) A photo of the interior of a telescope, with a black cylinder pointing up at the telescope’s closed dome. 暗能量光谱仪器（Dark Energy Spectroscopic Instrument，照片中的黑色圆柱体）安装在亚利桑那州基特峰上的梅亚尔望远镜上。 Marilyn Sargent, Multimedia Prod 但是，近几十年来，宇宙学取得了长足的进步。DESI 和 DES 都在绘制数百万个天体的地图，这为它们提供了确定暗能量是真正的宇宙学常数还是正在微妙变化所需的分辨率。

DESI 拥有特别清晰的视野。这台望远镜位于亚利桑那州的基特峰顶上，配备了数千个可旋转的机器人眼睛。自 2021 年 5 月以来，这些眼睛每晚都在来回移动，将其光纤电缆指向一个又一个星系并收集它们的光。在其运行的第一年，该望远镜观测了 600 万个星系，精确地确定了它们远离地球的速度。

许多星系都非常遥远，以至于它们的光花费了数十亿年的时间才到达我们这里。总而言之，它们的光照亮了大约过去 110 亿年的宇宙历史。DESI 宇宙学家专注于识别星系如何巧妙地聚集成分布在大致球形外壳中的特定大小的结构，这些是宇宙在更年轻和更密集时所经历的涟漪的残余。他们使用这些星系外壳以冻结帧的细节重建了宇宙的膨胀。

去年四月，DESI 的科学家们分享了他们第一年的观测结果。数据显示，暗能量可能在过去几十亿年中一直在减弱。它的密度看起来不是恒定的。

DESI 研究人员既兴奋又谨慎。他们以精确的方式说话，将他们的发现描述为“暗示”而不是“证据”，并仔细添加了警告。团队成员强调了过去在物理学中看到异常现象随着更多数据而消失的经历。

加州理工学院的理论物理学家 Kim Berghaus (opens a new tab) 说：“存在一个巨大的问号：这些新暗示有多可靠？”，她不是 DESI 团队的成员。“起初，很多人认为它们会消失。”

DESI 的新地图包括 1500 万个星系，跨越 320 亿光年的空间。（宇宙的年龄不到 140 亿年，但宇宙膨胀使其拉伸了。） DESI Collaboration and KPNO NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor

然后，在去年秋天，该合作发布了一份更详细的分析报告 (opens a new tab)，其中考虑了星系位置中更微妙的模式，而不仅仅是更明显的球形外壳。暗能量变化的迹象仍然存在。“每个人都松了一口气，”波士顿大学的宇宙学家 Dillon Brout (opens a new tab) 说，他是 DESI 和 DES 团队的成员。

该小组的新结果基于基特峰上的机器人眼睛三年的观星。随着对这些新数据的分析，气氛已经从解脱转变为兴高采烈。

数百万个更多星系

DESI 第一年的数据包含 600 万个星系，而三年数据集跨越了近 1500 万个星系。该团队再次识别出星系的球形外壳，并再次重建了过去 100 亿年的宇宙膨胀——这一次，具有更高的分辨率。

几个月来，他们在模拟数据和真实数据的扰乱版本上磨练了他们的计算机代码，寻找错误并验证他们的分析是否按预期工作。在 2024 年 12 月 10 日的晚上，该合作组织的代表在墨西哥坎昆举行会议，并花了三个小时辩论他们是否对已经从每个可能的角度观察了分析感到满意。

当他们确定满意时，少数研究人员回到他们的酒店房间，解扰数据并生成最终图表。其中一位是 Nadathur，他是英国朴茨茅斯大学的宇宙学家。他陶醉于能够成为地球上第一批收集迄今为止最大和最详细的星系地图秘密的人类之一的特权。两天后，他在大约 200 名 DESI 同事面前登台，还有数百名团队成员在远程观看，并分享了结果。“这是我职业生涯中最好的经历，”他说。

孤立地看，DESI 的 1500 万个星系可以与演变的暗能量模型或标准的宇宙学理论相匹配，该理论被称为 Lambda-CDM 模型，该模型假设一个宇宙学常数。（Lambda 是用于爱因斯坦宇宙学常数的希腊符号，CDM 代表冷暗物质。）但是，当 DESI 研究人员还将先前存在的关于附近星系中数千颗超新星位置的数据以及宇宙早期的情况考虑在内时，如古代光线的残余（称为宇宙微波背景）所揭示的那样，合并的数据集与 Lambda-CDM 截然不同，并指向暗能量的演变。

A closeup of an array of robotic eyes. DESI 拥有大约 5,000 个机器人眼睛，它们旋转到遥远的星系，逐个收集它们的光。 DESI Collaboration

DESI 在去年春天报告说，合并的数据集与 Lambda-CDM 模型预测的差异高达 3.9 个“sigma”，这是一种统计显著性的度量。现在，这个数字已经上升到 4.2 个 sigma。假设研究人员没有犯错误，这个数字意味着 Lambda-CDM 是正确的宇宙模型的几率只有大约 1/30,000。这大致相当于连续抛掷 15 次硬币并连续获得 15 次正面。

为了进一步加强结果，即使删除宇宙微波背景数据或超新星数据，与 Lambda-CDM 的紧张关系仍然存在（尽管水平较低）。这表明问题不在于任何一个数据集。

“他们必须合谋才能非常错误，” Ishak-Boushaki 说，“我认为这是非常、极其不可能的。”

DES 团队得出了类似的结论。在五年多的时间里，他们位于智利安第斯山脉的望远镜拍摄了 12% 天空的高分辨率照片，创建了迄今为止最广泛的超新星目录，并定位了数百万个星系（尽管精度低于 DESI）追踪出的相同球形外壳。将该数据与宇宙微波背景的最先进观测相结合，他们发现与 Lambda-CDM 的紧张关系为 3.2 个 sigma，当假设暗能量发生变化时