主要天体物理学研究发现暗能量可能正在减弱广达杂志

物理学家推断出微妙的暗示，推动宇宙膨胀得越来越快的神秘“暗”能量可能会随着时间的推移而略有减弱。这一发现有可能动摇物理学的基础。

“如果属实，这将是 25 年来我们获得的关于暗能量本质的第一个真正线索。” 亚当·里斯约翰·霍普金斯大学天体物理学家，1998年因共同发现暗能量而获得诺贝尔奖。

新的观测结果来自暗能量光谱仪器 (DESI) 团队，该团队今天公布了一张规模空前的宇宙地图，以及从该地图得出的大量测量数据。对于许多研究人员来说，最重要的是一张图，显示三种不同的观察组合都暗示暗能量的影响可能已经在亿万年的时间里被侵蚀。

“我们有可能看到暗能量演化的迹象，”说 狄龙·布劳特 波士顿大学博士，DESI团队成员。

合作内外的研究人员都强调，证据还不足以宣称有一项发现。这些观察结果有利于暗能量的侵蚀，具有中等的统计意义，而随着额外的数据的增加，这种意义很容易消失。但研究人员还指出，三组不同的观察结果都指向同一个有趣的方向，这一方向与暗能量作为空间真空的内在能量的标准图景不一致——暗能量是阿尔伯特·爱因斯坦称之为“宇宙学常数”的量。由于其不变的性质。

“这很令人兴奋，”说 塞什·纳达图尔朴茨茅斯大学的宇宙学家，从事 DESI 分析。 “如果暗能量不是宇宙常数，那将是一个巨大的发现。”

宇宙常数的兴起

1998年，里斯的团队与索尔·珀尔穆特（Saul Perlmutter）领导的另一组天文学家一起，利用数十颗遥远的、垂死的恒星（称为超新星）发出的光来照亮宇宙的结构。他们发现，随着宇宙年龄的增长，宇宙的膨胀速度会加快。

根据爱因斯坦的广义相对论，任何物质或能量都可以驱动宇宙膨胀。但随着空间的膨胀，所有熟悉的物质和能量在更广阔的宇宙中扩散时，它们的密度就会变得不那么大。随着它们的密度下降，宇宙的膨胀应该减慢，而不是加速。

然而，一种不会随着空间膨胀而稀释的物质是空间本身。如果真空有自己的能量，那么随着更多的真空（因此更多的能量）产生，膨胀将会加速，正如里斯和珀尔穆特的团队观察到的那样。他们对宇宙加速膨胀的发现揭示了与太空真空相关的微量能量的存在——暗能量。

方便的是，爱因斯坦在发展广义相对论时考虑了这种可能性。为了阻止物质稀释导致宇宙崩溃，他想象所有的空间都可能被注入一定量的额外能量，用符号 Λ 表示，称为 lambda，也称为宇宙学常数。爱因斯坦的直觉被证明是错误的，因为宇宙并不像他想象的那样平衡。但在 1998 年发现空间似乎将一切向外推之后，他的宇宙常数又回来了，并占据了当前宇宙学标准模型的核心位置，这是一组相互交织的成分，被称为“Lambda CDM 模型”。

“这很简单。这是一个数字。它有一些你可以附加的故事。这就是为什么它被认为是恒定的，”说 莉西亚·维德，一位理论宇宙学家和 DESI 合作组织的成员。

现在，使用新一代望远镜的新一代宇宙学家可能正在捕捉到一个更丰富的故事的第一个耳语。

绘制天空地图

其中一台望远镜位于亚利桑那州的基特峰。 DESI 团队为望远镜的四米镜子配备了 5,000 根机器人纤维，可以自动旋转到天体目标。与之前的旗舰星系巡天——斯隆数字巡天（SDSS）相比，自动化技术能够实现闪电般快速的数据收集，后者依赖于类似的光纤，必须手动将其插入有图案的金属板中。在最近的一个创纪录的夜晚，DESI 记录了近 200,000 个星系的位置。

从 2021 年 2022 月到 6 年 2 月，机器人纤维吸收了来自宇宙历史不同时代到达地球的光子。此后，DESI 研究人员将这些数据转化为有史以来最详细的宇宙地图。它具有约 12 万个星系的精确位置，这些星系存在于大约 13.8 至 XNUMX 亿年前（宇宙 XNUMX 亿年的历史中）。 “DESI 是一个非常伟大的实验，产生了惊人的数据，”里斯说。

DESI 精确测绘的秘密在于其收集星系光谱的能力，即记录每种光色调强度的数据丰富的绘图。光谱揭示了星系远离我们的速度，以及我们看到它处于宇宙历史的哪个时代（星系远离的速度越快，它的年龄就越老）。这可以让你定位星系之间的相对位置，但是为了用相对于地球的正确距离来校准地图——这是全面重建宇宙历史的基本信息——你需要其他东西。

对于 DESI 合作来说，这个东西是早期宇宙留下的冷冻密度波纹的拼凑而成。在大爆炸后的最初几十万年里，宇宙是一锅热的、浓稠的汤，主要由物质和光组成。重力将物质向内拉，而光将其向外推，这种斗争引发了密度波纹，从汤中最初的一些致密点向外扩散。宇宙冷却并形成原子后，它变得透明。光向外流动，留下了称为重子声振荡（BAO）的涟漪，冻结在原地。

最终的结果是一系列重叠的球体，球体的密度稍大，直径大约为十亿光年——这是 BAO 在冻结之前需要移动的距离。这些致密的壳层继续形成比其他位置稍多的星系，当 DESI 研究人员绘制数百万个星系的地图时，他们可以检测到这些球体的痕迹。较近的球体看起来比远处的球体更大，但由于 DESI 研究人员知道这些球体的大小相同，因此他们可以判断星系距地球的实际距离，并相应地调整地图的大小。

为了避免无意识地影响他们的结果，研究人员进行了“盲目”分析，使用随机调整的测量结果来掩盖任何物理模式。去年 12 月，双方在夏威夷会面，解读结果，看看 Kitt Peak 机器人纤维观察到了什么样的地图。

纳达图尔在英国的家中观看 Zoom 直播，当地图被揭晓时，他感到很兴奋，因为它看起来有点奇怪。 “如果你对 BAO 数据有足够的经验，你就会发现需要的东西与标准模型有点不同，”Nadathur 说。 “我知道 Lambda CDM 并不是全部。”

在接下来的一周里，当研究人员梳理新数据集、分析它并将其与其他大型宇宙学数据集混合时，他们发现了奇怪的根源，并交换了一系列 Slack 消息。

“我的一位同事发布了一张显示暗能量约束的图，但没有写任何文字。只是情节和爆炸头表情符号，”纳达瑟说。

数天数据

DESI 旨在通过观察宇宙历史七个时期中出现的不同类型的星系来确定宇宙如何随着时间的推移而膨胀。然后，他们会看到这七个快照与 Lambda CDM 预测的演变的吻合程度。他们还考虑了其​​他理论的表现如何——例如允许暗能量在快照之间变化的理论。

仅使用第一年的 DESI 数据，Lambda CDM 就几乎可以与可变暗物质模型一样拟合快照。只有当合作将 DESI 地图与其他快照（称为宇宙微波背景的光和一系列最近的三张超新星地图）结合起来时，这两种理论才开始出现分歧。

他们发现结果与 Lambda CDM 的预测相差 2.5、3.5 或 3.9 个“西格玛”，具体取决于他们所包含的三个超新星目录中的哪一个。想象一下抛硬币 100 次。对一枚公平硬币的预测是 50 个正面和 50 个反面。如果出现 60 个正面，则与平均值相差 1 个西格玛；偶然发生的几率（而不是硬币被操纵）是二十分之一。如果你得到 20 个正面——随机发生的几率是二百万分之一——这是一个 75 西格玛的结果，声称物理学发现的黄金标准。 DESI 获得的西格玛值介于两者之间；它们可能是罕见的统计波动，也可能是暗能量正在变化的真实证据。

虽然研究人员发现这些数字很诱人，但他们也警告不要过度解读更高的值。宇宙比硬币复杂得多，统计显着性取决于数据分析中的微妙假设。

人们热情高涨的一个更强有力的原因是，所有三个超新星目录——涵盖了某种程度上独立的超新星族群——都暗示暗能量正在以同样的方式变化：它的力量正在减弱，或者正如宇宙学家所说，“融化”。 “当我们交换所有这些互补数据集时，它们都倾向于收敛于这个略为负的数字，”布劳特说。如果差异是随机的，则数据集更有可能指向不同的方向。

约书亚·弗里曼芝加哥大学宇宙学家、DESI 合作组织成员，并未从事数据分析工作，他表示，他很高兴看到 Lambda CDM 失败。作为一名理论家，他在 1990 世纪 2013 年代提出了解冻暗能量的理论，最近他与他人共同创立了暗能量调查——该项目旨在寻找 2019 年至 XNUMX 年与标准模型的偏差，并创建了三个超新星目录 DESI 之一用过的。但他也记得过去因消失的宇宙异常而被烧伤。 “我对此的反应是很好奇”，但是“在错误变小之前，我不会写我的[诺贝尔]获奖感言，”弗里曼开玩笑说。

“从统计学上来说，它可能会消失，”布劳特在谈到与 Lambda CDM 模型的差异时说道。 “我们现在正在全力以赴看看是否会发生。”

在本周早些时候结束了第三年的观测后，DESI 研究人员预计他们的下一张地图将包含几乎是今天公布的地图两倍的星系。现在他们在 BAO 分析方面有了更多的经验，他们计划尽快推出更新的三年地图。接下来是包含 40 万个星系的五年地图。

除了 DESI 之外，未来几年还将有大量新仪器上线，包括智利 8.4 米的维拉鲁宾天文台、美国宇航局的南希·格雷斯·罗马太空望远镜和欧洲航天局的欧几里德任务。

“我们在宇宙学方面的数据在过去 25 年里取得了巨大的飞跃，而且即将取得更大的飞跃，”弗里曼说。

随着他们积累新的观察结果，研究人员可能会继续发现暗能量似乎与一代人以来一样恒定。或者，如果趋势继续按照 DESI 结果所暗示的方向发展，它可能会改变一切。

新物理学

如果暗能量正在减弱，它就不可能是宇宙常数。相反，许多宇宙学家认为，它可能与宇宙诞生期间引发指数膨胀时刻的场相同。这种“标量场”可以用一定量的能量填充空间，这些能量一开始看起来是恒定的——就像宇宙常数——但最终会随着时间的推移而开始下滑。

“暗能量变化的想法是非常自然的，”说 保罗斯坦哈特，普林斯顿大学宇宙学家。否则，他继续说道，“这将是我们所知道的唯一一种在空间和时间上绝对恒定的能量形式。”

但这种可变性将带来深刻的范式转变：我们不会生活在真空中，真空被定义为 宇宙的最低能量状态。相反，我们会处于一种充满活力的状态，慢慢滑向真正的真空。 “我们习惯于认为自己生活在真空中，”斯坦哈特说，“但没有人向你保证这一点。”

宇宙的命运将取决于先前被称为宇宙常数的数字下降的速度以及下降的幅度。如果达到零，宇宙加速就会停止。如果它远低于零，空间的扩张将转变为缓慢的收缩——这种逆转所需的 宇宙学的循环理论，例如斯坦哈特开发的那些。

弦理论家也有类似的观点。他们提出一切都归结为弦的振动，他们可以将具有不同维度数和各种奇异粒子和力的宇宙编织在一起。但他们 不能轻易构建 一个永久保持稳定正能量的宇宙，就像我们的宇宙看起来的那样。相反，在弦理论中，能量要么在数十亿年的过程中缓慢下降，要么猛烈下降到零或负值。 “从本质上讲，所有弦理论学家都相信这是其中之一。我们不知道是哪一个，”说 康润瓦法 哈佛大学。

暗能量逐渐下降的观测证据将有利于温和下降的情景。 “这将是惊人的。这将是自发现暗能量本身以来最重要的发现，”瓦法说。

但就目前而言，任何此类猜测都仅以最松散的方式植根于 DESI 分析。宇宙学家在认真考虑革命性的想法之前，还必须观察数百万个星系。

里斯说：“如果这一点成立，它可能会为人们对宇宙提供新的、可能更深入的理解开辟道路。” “未来几年应该非常有启发性。”