暗能量：被認定恆定，在宇宙中真會有變？

1992 年我完成博士學位時，宇宙充滿了神秘——我們甚至都不清楚它究竟是由什麼構成的。有人或許會認爲，自從 20 世紀 60 年代發現宇宙微波背景（CMB）——也就是大爆炸的餘暉以來，宇宙學家在理解這些基本事實方面進展不大。

完成博士學業後，我離開英國，前往美國開始研究工作，在那裡我有幸被招募參與一個名爲斯隆數字巡天（SDSS）的新實驗。這項新的巡天調查融合了數字技術的進步成果，意在測量一百萬個星系的“紅移”（即如果光源看似遠離你，光線就會變得更紅）。

然後，這些紅移被用於測量距離，並使宇宙學家能夠繪製宇宙的三維結構。

20 世紀 80 年代，基於瑪格麗特·蓋勒（Margaret Geller）和約翰·赫克拉（John Huchra）開創性的 CfA 紅移巡天，一個宇宙謎題在於我們宇宙鄰域中星系以及物質呈現出顯著的團塊狀。

重要的是要弄清楚這樣的超星系團是如何從平滑的 CMB 中形成的，因爲這能告訴我們宇宙中物質的總量，更有意思的是，還能知道這些物質是由什麼組成的。這裡假設唯一起作用的力是引力。

在 SDSS 的第一階段結束之際，我們已經達成了測量一百萬個紅移的目標。這些數據被用於發現宇宙中的許多超星系團，包括令人驚歎的“斯隆長城”，它仍然是宇宙中已知的最大的連貫結構之一，長度超過 10 億光年。

我很幸運能在世紀之交經歷這個宇宙發現的驚人時代。像 SDSS 這樣的巡天，與對 CMB 的新觀測以及對被稱爲 Ia 型超新星（SNeIa）的遙遠爆炸恆星的探尋相結合，共同爲“宇宙是由什麼構成的？”這個問題給出了一個有力的回答。

從 1999 年到 2004 年，宇宙學界達成一致，認爲宇宙由 5%的普通（重子）物質、25%的暗物質（未知且不可見的物質）以及 70%的“暗能量”（一種膨脹力）構成——本質上是一個宇宙常數，這是愛因斯坦首先假設的。宇宙被這種恆定能量所主導這一發現令所有人震驚，尤其是因爲愛因斯坦曾稱宇宙常數是他“最大的錯誤”。

如今，宇宙學家仍然認爲這是我們宇宙最有可能的構成。但像我這樣的觀測宇宙學家已經顯著改進了對這些宇宙變量的測量，減少了這些量的誤差。

來自暗能量調查（DES）的最新數據表明，宇宙的 31.5%爲物質（暗物質和普通物質的組合），假設其爲宇宙常數，其餘部分則是暗能量。這次測量的誤差僅爲 3%。

更精確地瞭解這些數字，有望幫助宇宙學家理解宇宙爲何是這樣的。爲什麼我們預計如今宇宙的 70%是“暗的”（無法通過電磁輻射觀測到），且與宇宙中的其他“物質”無關？

這種暗能量的起源依然是物理學所面臨的最大挑戰，即便經過了 20 年的深入研究。

和我一樣，在過去的二十年中，一些宇宙學家的注意力被其他問題分散了。然而，2024 年可能是一個新發現時代的開始。今年，宇宙學家根據我們兩個最好的宇宙學探測器發表了新的結果。

第一個探測器由被稱作‘SNeIa’的爆炸恆星構成。由於這些恆星的質量範圍較窄，其爆炸能夠得到良好的校準，爲宇宙學家提供了一種可預測的亮度，該亮度在很遠的地方都能被觀測到。通過將這些已知亮度的 SNeIa 與其紅移進行比較，我們可以確定宇宙的膨脹歷史。事實上，這些天體對於發現我們的宇宙正在加速膨脹至關重要。

第二個探測器的工作原理在於觀察重子聲學振盪（BAO）——在宇宙微波背景（CMB）之前的早期宇宙等離子體（帶電氣體）中可預測聲波的遺留痕跡。這些現在被凍結在我們周圍星系的大規模結構中。與 SNeIa 一樣，它們可預測的大小可以與今天觀察到的大小進行比較，以測量宇宙的膨脹歷史。

最近，DES 報告了其十多年工作的最終 SNeIa 結果，檢測並描述了數千次超新星事件。雖然這些 SNeIa 結果與宇宙由宇宙常數主導這一正統觀點相符，但它們確實帶來了新物理學的誘人可能性——即暗能量可能隨宇宙時間而變化。

也就是說，科學家們被訓練得要持有懷疑態度，而且有諸多理由不相信單個實驗、單次觀察，甚至是一組宇宙學家！

如今，宇宙學家在分析數據時竭盡全力向自己“隱瞞”結果，直到最後一刻才揭示答案。這樣做是爲了避免無意識的人類偏見影響工作，這種偏見可能會促使人們得到他們認爲應該看到的答案。

這就是爲什麼結果的可重複性是所有科學的核心。在宇宙學中，我們珍視進行多次實驗、相互檢查和挑戰的需求。

第二個令人矚目的結果出自暗能量光譜儀（DESI）的首次 BAO 測量，它是 SDSS 的繼任者。DESI 繪製的首張宇宙地圖比最初的 SDSS 繪製的更深入、更密集。其首次 BAO 結果令人感到有趣——僅這些數據仍與宇宙常數一致，但與其他數據源結合時，有暗示可能存在隨時間變化的暗能量。

特別是，當 DESI 將其 BAO 結果與最終的 DES SNeIa 數據相結合進行分析時，隨時間變化的暗能量的顯著性增加到 3.9 西格瑪（如果一個假設是正確的，這是一組數據不尋常程度的度量）——只有 0.6%的可能性是統計上的巧合。

我們大多數人會接受這樣的概率，但科學家們之前曾因數據中的系統誤差而遭受損失。因此，粒子物理學家要求任何新物理的發現標準爲 5 西格瑪——或者錯誤的可能性小於百萬分之一！

正如科學家們常說的那樣，“非凡的主張需要非凡的證據。”

我們是否正在進入宇宙學發現的新時代？如果是這樣，這意味着什麼？

我第一個問題的答案可能是肯定的。未來幾年對宇宙學家而言將會是有趣的，歐洲航天局的歐幾里得任務將有新的數據和結果。該任務於去年發射，已經以前所未有的精度掃描天空。

同樣，DESI 將獲得更多更好的數據，而歐洲南方天文臺在 2025 年開始其自己的大規模紅移調查。然後，智利的魯賓天文臺很快就要上線了。把這些數據集綜合起來，應當能毫無疑問地證明暗能量是否會隨宇宙時間而變化。

如果是這樣，這意味着現在的暗能量比過去要少。這可能是由許多因素造成的，但有趣的是，這可能標誌着宇宙當前加速膨脹階段的結束。

這也意味着暗能量可能並非那種被認爲與空空間相關的背景能量的宇宙學常數。根據量子力學，空空間並非真的空無一物，粒子不斷地出現和消失，創造了我們所謂的“真空能量”。具有諷刺意味的是，這種真空能量的預測跟我們的宇宙學觀測結果在數量級上相差極大。

所以，如果我們確實發現暗能量隨時間變化，這可能解釋爲什麼觀測結果與量子力學不一致，量子力學是一個經過了極好檢驗的理論。這將會表明在宇宙學標準模型中，暗能量是恆定的這一假設需要重新加以思考。這樣的認識可能有助於解決關於宇宙的其他謎團——或者提出新的謎團。

簡而言之，在本十年即將到來的新的宇宙學觀測將會激發一個新的物理思維時代。恭喜年輕的宇宙學家們：這是屬於你們的歡樂時代。