暗能量正在撕裂宇宙。如果原力在减弱呢？

2024年5月3日 暗能量正在撕裂宇宙。如果原力在减弱呢？ 一个开创性的宇宙绘图项目的第一组结果表明，被称为暗能量的排斥力已经改变了110亿年，这将改变关于宇宙如何演变及其未来的想法。 作者:大卫·卡斯特韦奇

亚利桑那州基特峰天文台的暗能量光谱仪器（DESI）正在收集数据，以重建数十亿年来宇宙是如何膨胀的。致谢:玛丽莲·萨金特/伯克利实验室 宇宙的命运可能不像宇宙学家长期以来怀疑的那样黑暗和空虚。这是一个创新项目产生的潜在影响，该项目制作了一些有史以来最大的宇宙地图。 4月初，在加利福尼亚州萨克拉门托举行的美国物理学会会议上，研究人员发布了位于亚利桑那州图森附近的基特峰国家天文台的暗能量光谱仪器（DESI）的初步结果。DESI于2020年开始绘制3D宇宙地图，旨在测量推动星系分离的难以捉摸的暗能量。 令人惊讶的早期结果表明，暗能量可能会随着时间的推移而减弱。 “这实际上是一个暗示，可能有什么事情正在发生，”加州劳伦斯伯克利国家实验室的宇宙学家娜塔莉·帕兰克-德拉布鲁伊说，她是德西的发言人。 尽管这项研究仅基于计划进行数据收集的五年中的第一年，但它已经是有史以来最大的宇宙地图之一，它揭示了暗能量在史无前例的110亿年宇宙历史中的影响（DESI合作。2024年https://doi.org/mtqw;第十四届会议预印本）。 如果得到证实，暗能量可能正在减弱的暗示将为普遍接受的宇宙理论模型带来几十年来的第一次重大变化。如果暗能量不是恒定的，这将对宇宙如何演化及其未来可能如何发展的理论产生影响。 但是研究人员表示，暗能量变化的证据仍然非常不确定。这是4月15日至16日在伦敦皇家学会举行的宇宙学家会议上压倒性的观点。大多数宇宙学家同意，标准宇宙学模型仍然很强大——而且随着时间的推移，它的工作越来越好。 伊利诺伊州芝加哥大学的天文学家温迪·弗里德曼称这种减弱的迹象是“诱人的”，但她说这需要更多的数据来证明它们是否可行。“时间会证明他们是否经得起时间的考验。“ 相反相成 在最大的尺度上，宇宙受引力支配，爱因斯坦的广义相对论允许引力既有吸引力又有排斥力。普通形式的能量（包括物质质量）会产生吸引力，而广义相对论还预测一些更奇特的能量形式会产生排斥引力。 暗能量是在1998年发现的，当时两组天文学家利用遥远星系中的超新星爆炸来测量宇宙膨胀速率的变化。他们的结果表明，在后来被称为暗能量的某种看不见的排斥力的推动下，该速率随着时间的推移而加快。这个名字旨在呼应同样神秘的暗物质——暗物质是不可见的，但可以通过其对星系的引力影响来测量。 1998年发现暗能量的数据有很大的误差，它们符合最简单的假设:暗能量在空间中均匀分布，因此被命名为宇宙常数或λ。围绕一种名为λ冷暗物质（CDM）的理论达成了共识，在该理论中，宇宙历史在很大程度上是暗物质引力和暗能量推力之间斗争的结果。

基于DESI观测的宇宙地图的一部分显示了星系排列的模式。Credit: Claire Lamman/DESI合作；cmastro定制色彩映射表包 除了无法解释的小偏差之外，宇宙学家迄今为止收集的所有证据都加强了这个CDM模型。欧洲航天局（ESA）的普朗克太空任务于2013年制定了黄金标准，该任务绘制了早期宇宙的遗迹辐射，称为宇宙微波背景。英国剑桥大学宇宙学家、普朗克高级研究员乔治·埃夫斯塔西奥说，该任务的数据与模型“非常一致”。普朗克发现，目前的宇宙大约有70%的暗能量、25%的暗物质和5%的普通物质——恒星、行星和人类的物质。 多种命运 CDM的标准假设是宇宙膨胀将继续加速，大多数星系最终将从视野中消失。但理论家们已经开发了数百种其他暗能量模型；许多人认为暗能量可能会慢慢被稀释，宇宙的膨胀将开始放缓。另一种可能性是暗能量变得越来越强，最终将撕裂星系。 在很长一段时间里，来自观测的暗示过于模糊，甚至无法回答关于暗能量的最基本问题:它到底有多强，是恒定的还是缓慢变化的？DESI是新一代旨在提供一些答案的实验中的第一个。其他包括欧空局的欧几里德任务，该任务于去年发射到太空；位于智利安第斯山脉的维拉·c·鲁宾天文台的大型8米望远镜即将完工；以及计划于2027年发射的美国国家航空航天局南希·格雷斯·罗曼太空望远镜。另一台名为eROSITA的望远镜是俄罗斯-德国太空任务的一部分，它已经绘制了X射线光谱中的宇宙。 帕兰克-德拉布鲁耶在皇家学会会议上说:“有一大堆项目即将开始采集数据或刚刚开始。”“这在宇宙学史上真的是独一无二的。” 所有这些努力都依赖于绘制物质在宇宙中的远距离分布图，由于光到达地球需要时间，这也意味着需要很长时间。DESI不像普通望远镜相机那样拍摄天空照片，而是从其视野中选定的位置收集光线。它通过其5000个机械臂将光纤指向物体（通常是星系或类星体），并将光线发送到敏感的光谱仪。每个物体的光谱揭示了它的距离，因为物体离得越远，移动得越快，其光谱向更长波长“红移”得越多。 为了从其3D数据中重建宇宙膨胀的历史，DESI团队使用了宇宙学中最成熟的技术之一。它着眼于原始宇宙中曾经是声波的遗迹。 随着时间的推移，空间膨胀，物质冷却，波在整个宇宙的质子和中子（统称为重子）分布中冻结。这种印记被称为重子声波振荡（BAO），今天仍然可以从星系在太空中的分散情况中检测到。 BAO特征是宇宙中最大的结构。“如果我们能单独看到它们，我们会看到一个壳，”帕兰克-德拉布鲁维尔解释说。“这就像你往湖里扔鹅卵石一样。她说:“如果你只扔一块鹅卵石，你就会看到它的波浪向外扩展。”“如果你一次扔太多鹅卵石，它们产生的涟漪会相互重叠。“广阔的范围 德西不只是看到了当前宇宙中的宝。它的3D地图可以追溯到过去，通过测量这些特征的平均大小如何随着时间的推移而增长，宇宙学家可以重建膨胀速度——并由此重建暗能量的强度。该仪器的结果原则上仍然与所有选项兼容——一种恒定的、减弱甚至增强的暗能量。 伦敦大学学院宇宙学家Ofer Lahav说，在最基本的层面上，DESI的结果为最初的发现提供了可靠的证实，他是DESI合作的一部分。“对我来说，你可以证实宇宙正在加速，并或多或少地获得人们25年前声称的相同价值，这很壮观，”他说。 马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学的理论宇宙学家Marc Kamionkowski说:“这些仪器、数据和测量都非常壮观。 Kamionkowski说，他对将这些结果解释为暗能量正在减弱持谨慎态度。他说，这可能是该团队所做的特定类型分析的结果。英国牛津大学的理论物理学家佩德罗·费雷拉同意这一观点，他指出，去年他和同事威廉·沃尔夫发表的一项研究呼吁宇宙学家改变他们解释暗能量数据的方式。2023).费雷拉补充说，他对即将到来的高水平研究能否确定暗能量的理论模型持悲观态度。 但是研究人员希望额外的数据会指向新的方向。 英国谢菲尔德大学的宇宙学家埃莉诺拉·迪·瓦伦蒂诺说，标准模型是作为最简单的可能的宇宙理论创建的，但其内容的实际物理学可能更复杂。“我不相信CDM会是最终答案，”她说。 宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)同意这一观点，他是标准模型的首席建筑师，该模型帮助他获得了2019年诺贝尔奖。“我发现很难想象CDM是故事的结尾，”新泽西州普林斯顿大学的皮布尔斯说。“太简单了。” 自然629，274-275 (2024) do:https://doi.org/10.1038/d41586-024-01273-4