动态暗能量与撼动宇宙学的一周

# 动力学暗能量与颠覆宇宙学的一周 来源：https://perimeterinstitute.ca/news/dynamical-dark-energy-and-week-broke-cosmology *Katie Mack，圆周理论物理研究所霍金宇宙学与科学传播主席。*研讨会公告称其为"颠覆宇宙学的一周"。 2025年3月，暗能量光谱仪（DESI）发表的一篇论文震撼了宇宙学界，提出了对我们宇宙认知进行根本性变革的诱人证据。 自1990年代末以来，宇宙学家已知晓宇宙不仅在膨胀，而且在加速膨胀。膨胀的发现要追溯到1920年代，当时天文学家观测到遥远的星系似乎以更快的速度远离我们——这正是宇宙以均匀方式整体膨胀的预期表现。当时的假设是：大爆炸引发了膨胀，而引力应当会使膨胀减速。然而1998年两个观测小组证明膨胀实际上在加速，这引发了宇宙认知的革命。这意味着宇宙中不仅包含会通过引力阻碍膨胀的普通物质和能量，必然还存在某种额外成分在主动拉伸宇宙。这个新成分被命名为暗能量，尽管完全出乎意料，但天文学家对其本质有一个相当完善的假说——该假说甚至可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦。 在天文学家获得足够精确的观测确认其他星系存在之前，宇宙似乎应当是永恒不变的。但这带来一个问题：为什么引力没有将所有物质聚合成一团？爱因斯坦在建立描述引力对物质与空间影响的广义相对论方程时，提出了一种解释：他增加了一个新项来平衡引力的向内拉力，并称之为宇宙常数。这个项描述了时空的一种固有属性，使其具有轻微的扩张趋势，从而让星系团之间的空间能够抵抗它们的引力吸引。当1920年代的观测者最终发现宇宙实际上在膨胀而非静止时，爱因斯坦意识到这个项是多余的——宇宙并非在自身重力下坍缩，而是仍处于大爆炸后的膨胀过程中。他将这个项作为错误摒弃了。 时间快进到1998年的加速膨胀发现，宇宙常数被广泛接受为神秘暗能量的合理候选者。所有观测似乎都支持这样的观点：膨胀加速始于相对晚近的宇宙时期，因为那时物质已足够稀疏，宇宙常数开始赢得与引力的拔河比赛。随着空间尺寸增大，物质总密度不断降低，而宇宙常数作为空间的固有属性保持密度不变，因此能持续拉伸空间，使物质引力变得越来越不重要。此时它不再仅仅是阻止星系聚集，而是主动加速膨胀。 近三十年来，宇宙学家从各个角度检验这一假说。如果暗能量是宇宙常数，其强弱不应随时间变化——它对宇宙演化的影响应完全由物质和能量的总密度通过弗里德曼方程决定。面对观测数据，宇宙常数假说表现如此完美，以至于成为宇宙学共识模型（通常称为ΛCDM）的基石。其中Λ是标记爱因斯坦方程中宇宙常数的希腊字母，CDM代表冷暗物质——构成星系和宇宙大尺度结构骨架的不可见物质。 然而近年来，ΛCDM模型与新宇宙学数据间的明显矛盾已不容忽视。 首先是哈勃张力问题。对宇宙当前膨胀速率（参数H₀）的不同测量得出了不同结果，目前无人能给出圆满解释。利用宇宙微波背景辐射（CMB）数据结合宇宙学方程推导出的当前膨胀率，高于通过近邻宇宙超新星观测得到的结果。如何解决这一差异尚无定论，但若非源于数据中某种未知偏差，这将对ΛCDM模型的稳固性构成重大挑战。 其次是中微子质量难题。幽灵般的中微子——恒星聚变及其他高能天体过程中产生的微小粒子——仅占宇宙总物质的极小部分，却对宇宙中星系的结构与分布产生可测量影响。但当灵敏度足以检测这些效应的星系巡天投入应用时，我们却得到了看似荒谬的结果：数据分析中纳入中微子的影响竟产生了反向效应，导致宇宙学家将结果称为"负中微子质量"。需要明确的是，据我所知无人真正认为中微子质量可以为负。这种简略表述实则表明分析因某种原因失效。或许数据中隐藏着模仿中微子异常行为的新物理，而暗能量变化可能正是其中一个因素。 这一切将我们引回2025年DESI那项轰动性成果。DESI团队在第二批数据（DR2）结果中显示，其分析强烈支持一种与宇宙常数不符的暗能量模型。数据最佳拟合指向一种动力学暗能量——它既能导致宇宙加速膨胀，其强度似乎又随时间减弱。虽然该结果尚未达到发现的金标准（即5西格玛的证据阈值），但其与ΛCDM模型的显著分歧足以在全球宇宙学界引发震动。 DESI是国际协作项目，由全球天文学家运营，主要资助方为美国能源部科学办公室。虽然望远镜位于美国，但加拿大深度参与其中。圆周研究所准教员、DESI联合发言人Will Percival领导着滑铁卢大学天体物理中心的研究团队，对DESI结果进行科学分析。圆周研究所的计算科学家Dustin Lang也与DESI团队合作开展巡天观测和数据分析。 该仪器的主要任务是为宇宙中我们（相对而言）所处区域的星系绘制三维地图。它通过获取数千万个星系的光谱，并利用光谱中蕴含的线索精确确定星系在空间中的位置及其相对运动状态来实现这一目标。最后一点尤为重要：随着宇宙膨胀，来自遥远天体的光会被拉伸，这一过程称为宇宙学红移。（对于DESI观测的可见光，整个光谱都会向电磁波谱红端偏移。）天体在空间中距离越远，宇宙膨胀对其光线的拉伸程度就越大，因此测得的红移值也越高。近邻天体红移值为0，而已知最遥远的星系——宇宙早期形成的首批星系——红移值约为14。DESI可观测红移值约1.6以内的星系，以及红移值达3.5的类星体（活跃星系的发光核心），这意味着它们的光在可见光谱范围内被拉伸并延伸至红外波段。这些天体如此遥远，其光线传播时间长达约120亿年，向我们展现的宇宙年龄仅为现在的很小一部分。 *DESI绘制的宇宙三维地图，每个点代表一个星系。图片来源：DESI合作组织与KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor* 虽然星系和类星体本身构成令人惊叹的数据集，但它们并非DESI巡天的主要焦点。DESI最引人注目的成果来自对重子声波振荡的测量。在早期宇宙的辐射主导时期深处，充满宇宙的炽热等离子体密度极高并持续振荡。宇宙某些区域存在富含暗物质的引力势阱，其他区域则更为稀疏。密集区域的暗物质试图束缚等离子体，但高速粒子的压力阻止了塌缩。由此产生振荡：炽热的"重子"普通物质被拉入势阱，却因等离子体压力而反弹离开暗物质团块。当宇宙膨胀到足以让等离子体冷却、普通物质粒子减速时，反弹等离子体的压力波在宇宙物质分布中留下印记。大部分物质仍聚集在初始暗物质密度峰值附近，但等离子体压力波在距离每个峰值固定距离处形成了残余物质壳层，当宇宙从辐射主导过渡到物质主导的平稳低温状态时，这一结构被冻结。该壳层的物理尺度由气体和引力物理决定。从今日视角观测，它为我们提供了一把嵌入数据中的宇宙标尺，可用于绘制宇宙大尺度物质分布的精确地图。通过测量不同距离（即不同时期）星系的位置，天文学家能利用这种重子声波振荡（BAO）特征追溯数十亿年前宇宙的膨胀历史。 *重子声波振荡示意图，这种来自早期宇宙的印记充当了宇宙测量工具。图片来源：Gabriela Secara，圆周理论物理研究所* 需谨记的是，将DESI的星系光谱测量转化为宇宙膨胀历史推断涉及大量分析工作。部分分析需理解星系本身特性并校正数据中各种潜在系统误差。同时需引入其他数据集，帮助校准测量结果并填补物理或天体物理假设的空白。在DR2结果中，DESI团队整合了CMB探测器数据（以更好理解宇宙早期行为并获取额外BAO信息）以及超新星巡天数据（补充低红移处BAO难以探测的膨胀历史）。尽管通过适当建模可从BAO测量推导膨胀率，但要具体关联到暗能量还需额外步骤。这些注意事项至关重要，因为当宇宙学家仔细审阅DESI的重磅结果时，这些环节将是判断结论是否真正可靠的关键。 科学问题本身的表述也存在微妙之处。DESI主要探究的是暗能量是否确为宇宙常数（即是否随时间变化）。但这颇具挑战：因为我们清楚宇宙常数对膨胀率的影响机制（假设我们理解物质行为；后文详述），但非宇宙常数的情况则存在多种可能性。若要获得量化结果，必须对暗能量行为进行参数化，然后测量其偏离常数的具体方向。 通常采用状态方程参数来表征暗能量。这个标记为w的数值表示物质压力与其能量密度的比值。对于构成宇宙大部分物质的暗物质，w=0（因其完全无压力）。对于具有负压力的宇宙常数，在相关单位下w=-1。通过对物质和辐射的状态方程及其在宇宙模型中的契合度做出标准假设，可以推导出暗能量的特定状态方程。在DESI之前，观测得到的w值大体与-1一致，不同观测间存在细微差异。单独来看，DESI结果也符合暗能量w=-1的假设。 若暗能量随时间变化，其状态方程参数可能今日为w=-1，但在过去却不同。为考虑这种可能性，宇宙学家设想了一种暗能量模型，其特性由今日的w₀值和表示时间变化的wₐ共同描述。若wₐ=0，则w保持恒定等于当前测量值；若wₐ为正，暗能量随时间增强；若为负，则随时间减弱（也称为"解冻"模式）。这称为CPL参数化，通常写作w(a) = w₀ + wₐ(1-a)，其中a=1/(1+z)是与宇宙尺寸相关的尺度因子，z为红移。DESI结果显示，当考虑w的变化时，数据更倾向于w₀大致与-1一致但wₐ显著低于零的模型，表明暗能量目前近似宇宙常数，但强度正随时间减弱。 CPL参数化是相对简单的模型，主要用于与宇宙常数进行对比检验——它并非旨在描述暗能量随时间变化的详细行为或解释其演化原因。但若我们将应用于DESI数据时得出的大致演化趋势视为严肃结论，我们将陷入非常诡异的境地：它似乎指向暗能量状态方程参数在宇宙某个时期曾小于-1。这带来问题：因为即便宇宙常数已足够奇特，但拥有w<-1的宇宙成分将违反一些看似基础的物理学定律。 约克大学教员、圆周研究所准教员Matthew Johnson（研究宇宙学、早期宇宙理论与暗能量）指出，这种w<-1的暗能量——称为幻影暗能量——确实会带来严峻问题。"这些DESI结果指向这样一种可能性：暗能量的数量或密度实际上随宇宙膨胀而增长，"他解释道，"这就像这个不断膨胀的盒子里的东西增长速度比盒子本身还快，这是自然界中从未见过的异常特性。它简直与我们理解的......