什么是暗能量？在我们加速膨胀的宇宙中

顺其自然362

（）据美国宇航局（切尔西·高德）：大约138亿年前，宇宙开始了我们称之为大爆炸的快速膨胀。在持续了几分之一秒的初始膨胀之后，引力开始让宇宙减速。但是宇宙不会一直这样。宇宙诞生90亿年后，在一种被科学家命名为暗能量的未知力量的驱动下，宇宙开始加速膨胀。

但是暗能量到底是什么呢？

简短的回答是:我们不知道。但我们确实知道它的存在，它正在使宇宙加速膨胀，宇宙中大约68.3%到70%是暗能量。



这张信息图概述了宇宙的历史。美国国家航空航天局

简史


这一切都始于造父变星

暗能量直到20世纪90年代末才被发现。但它在科学研究中的起源可以追溯到1912年，当时美国天文学家亨丽爱塔·斯万·勒维特利用造父变星做出了一项重要发现。造父变星是一类恒星，其亮度的波动规律取决于恒星的亮度。

所有具有一定周期的造父星（造父星的周期是从明亮到暗淡再到明亮的时间）都具有相同的绝对星等或光度——它们发出的光量。莱维特测量了这些恒星，并证明了它们的亮度和光度的规则周期之间存在关系。莱维特的发现使天文学家有可能利用恒星的周期和光度来测量我们与遥远星系中造父星（以及我们自己的银河系）的距离。

大约在历史的同一时期，天文学家维斯托·斯莱弗用他的望远镜摄谱仪观察了螺旋星系，这种设备将光分成组成它的各种颜色，就像棱镜将光分成彩虹一样。他使用摄谱仪（当时相对较新的发明）来观察来自不同谱线星系的不同波长的光。通过他的观察，西尔弗是第一个观察到银河系在遥远星系中以多快的速度远离我们的天文学家，这被称为红移。这些观察将被证明对许多未来的科学突破至关重要，包括暗能量的发现。

红移是一个术语，当天文物体远离我们时，来自这些物体的光会延伸出去。光的行为像波，红光的波长最长。因此，从远离我们的物体发出的光波长更长，延伸到电磁波的“红端”。

发现膨胀的宇宙

星系红移、造父变星的周期光度关系以及测量恒星或星系距离的新能力的发现，最终在天文学家观察到星系随着时间的推移离我们越来越远的过程中发挥了作用，这表明了宇宙是如何膨胀的。在接下来的几年里，世界各地不同的科学家开始将膨胀宇宙的碎片拼凑起来。

1922年，俄罗斯科学家和数学家亚历山大·弗里德曼发表了一篇论文，详细介绍了宇宙历史的多种可能性。该论文基于阿尔伯特·爱因斯坦1917年发表的广义相对论，包括宇宙正在膨胀的可能性。

1927年，比利时天文学家乔治·勒梅特（据说他并不知道弗里德曼的工作）发表了一篇论文，其中也考虑了爱因斯坦的广义相对论。此外，尽管爱因斯坦在其理论中指出宇宙是静态的，但勒梅特展示了爱因斯坦理论中的方程如何实际上支持宇宙不是静态的，而是实际上正在膨胀的观点。

1929年，天文学家埃德温·哈勃通过他的助手、天文学家米尔顿·赫马森的观测证实宇宙正在膨胀。赫马森测量了螺旋星系的红移。哈勃和赫马森随后研究了这些星系中的造父星，利用这些恒星确定了它们所在星系（或称之为星云）的距离。他们将这些星系的距离与它们的红移进行了比较，并跟踪了一个物体距离我们越远，它的红移越大，离我们越远的情况。两人发现，像星系这样的物体远离地球的速度越快，每秒钟超过几十万英里——这一观察现在被称为哈勃定律或哈勃-勒梅定律。他们证实，宇宙确实在膨胀。



这张合成图像展示了有史以来最复杂、最引人注目的星系团碰撞。这个系统被正式命名为Abell 2744，由于发现了各种不同的结构，它被称为潘多拉星团。来自钱德拉（红色）的数据显示气体温度高达数百万度。蓝色的地图显示了基于哈勃太空望远镜、甚大望远镜（VLT）和斯巴鲁望远镜数据的总质量浓度（主要是暗物质）。来自HST和VLT的光学数据也显示了星系团的组成星系。天文学家认为至少有四个来自不同方向的星系团参与了这次碰撞。

超新星显示膨胀正在加速

科学家此前认为，随着时间的推移，宇宙的膨胀可能会因引力而放缓，这一预期得到了爱因斯坦广义相对论的支持。但在1998年，当两个不同的天文学家小组观察遥远的超新星时，一切都发生了变化，他们注意到（在特定红移下）恒星爆炸比预期的要暗。这些小组由天文学家亚当·里斯、索尔·珀尔马特和布莱恩·施密特领导。这三人组因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。

虽然昏暗的超新星似乎不是一个重大发现，但这些天文学家正在观察1a型超新星，已知它们具有一定的亮度。所以他们知道一定有其他因素使这些物体看起来更暗。科学家可以利用物体的亮度来确定距离（和速度），较暗的物体通常距离更远（尽管周围的灰尘和其他因素会导致物体变暗）。

这使得科学家们得出结论，这些超新星比他们通过观察红移所预期的要远得多。

利用物体的亮度，研究人员确定了这些超新星的距离。利用光谱，他们能够计算出天体的红移，从而计算出它们远离我们的速度。他们发现超新星并不像预期的那样近，这意味着它们比以前更快地远离我们。这些观察使科学家最终得出结论，宇宙本身肯定随着时间的推移膨胀得更快。

虽然已经探索了这些观测结果的其他可能解释，但近年来研究更遥远的超新星或其他宇宙现象的天文学家继续收集证据，并为宇宙随着时间的推移而更快膨胀的观点提供支持。这种现象现在被称为宇宙加速。

但是，当科学家为宇宙加速建立一个案例时，他们也问:为什么？随着时间的推移，是什么在推动宇宙更快地扩张呢？

进入暗能量。

暗能量到底是什么？

目前，暗能量只是天文学家给导致宇宙加速膨胀的神秘“东西”起的名字。

一些人认为暗能量具有向外推动太空的负压效应。然而，我们根本不知道暗能量是否具有任何类型的力的效果。关于暗能量可能是什么有很多想法。以下是对暗能量的四种主要解释。请记住，有可能完全是别的东西。

真空能量:

一些科学家认为暗能量是太空中一种基本的、无时不在的背景能量，称为真空能量，它可能等于宇宙常数，宇宙常数是爱因斯坦广义相对论方程中的一个数学术语。最初，这个常数的存在是为了平衡引力，从而产生一个静态的宇宙。但是当哈勃证实宇宙确实在膨胀时，爱因斯坦去掉了这个常数，物理学家乔治·盖莫夫称之为“我最大的失误”。

但是当后来发现宇宙的膨胀实际上在加速时，一些科学家提出，以前不可信的宇宙常数可能实际上有一个非零值。他们认为这种额外的力对于加速宇宙膨胀是必要的。这种理论认为这种神秘成分可以归因于一种叫做“真空能量”的东西，这是一种渗透整个空间的理论背景能量。

空间从来都不是空的。根据量子场论，存在虚粒子，或粒子和反粒子对。人们认为，这些虚拟粒子几乎一出现在宇宙中就会相互抵消，这种突然出现又突然消失的行为可能是由充满宇宙并将空间向外推的“真空能量”实现的。

虽然这一理论一直是一个热门的讨论话题，但研究这一选择的科学家已经计算出理论上太空中应该有多少真空能量。他们表明，要么应该有如此多的真空能量，以至于在一开始，宇宙会以如此快的速度和如此大的力量向外膨胀，以至于没有恒星或星系可以形成，要么…应该绝对没有。这意味着宇宙中的真空能量肯定比这些预测中的要小得多。然而，这种差异尚未得到解决，甚至获得了“宇宙常数问题”的绰号。

精髓:

一些科学家认为，暗能量可能是一种充满空间的能量流体或能量场，其行为方式与正常物质相反，其数量和分布在时间和空间上都有所不同。这种暗能量的假设版本被戏称为精粹，以古希腊哲学家讨论的理论上的第五元素命名。

一些科学家甚至提出，精髓可能是暗能量和暗物质的某种结合，尽管这两者目前被认为是完全独立的。虽然这两者对科学家来说都是主要的谜团，但暗物质被认为占宇宙中所有物质的85%。

空间褶皱:

一些科学家认为暗能量可能是宇宙本身结构的一种缺陷；像宇宙弦一样的缺陷，这是一种假设的一维“皱纹”，被认为是在早期宇宙中形成的。

广义相对论的一个缺陷:

一些科学家认为暗能量不是我们可以发现的物理现象。相反，他们认为广义相对论和爱因斯坦的引力理论以及它在可观测宇宙尺度上的工作方式可能存在问题。在这个解释中，科学家认为有可能修改我们对引力的理解，从而解释在不需要暗能量的情况下对宇宙的观察。爱因斯坦实际上在1919年提出了这样一个被称为幺模引力的想法，这是广义相对论的修改版本，今天的科学家认为它不需要暗能量来理解宇宙。

未来

暗能量是宇宙最大的谜团之一。几十年来，科学家们已经对我们膨胀的宇宙进行了理论化。现在，有史以来第一次，我们有足够强大的工具来测试这些理论并真正研究这个大问题:“什么是暗能量？”

美国国家航空航天局在欧洲航天局（ESA）的欧几里德任务（2023年发射）中发挥了关键作用，该任务将绘制一幅宇宙3D地图，以了解物质如何随着时间的推移被暗能量撕裂。这张地图将包括对距离地球100亿光年的数十亿个星系的观测。

美国国家航空航天局的Nancy Grace Roman太空望远镜将于2027年5月发射，旨在研究暗能量和许多其他科学主题，并将创建3D暗物质地图。罗曼的分辨率将与美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜一样清晰，但视野要大100倍，使其能够捕捉更广阔的宇宙图像。这将使科学家能够绘制物质如何在宇宙中构成和分布的地图，并探索暗能量如何表现以及随时间的变化。罗曼还将进行一项额外的调查来探测Ia型超新星

除了美国国家航空航天局的任务和努力之外，维拉·鲁宾天文台也准备支持我们对暗能量日益增长的理解。该天文台得到了包括美国国家科学基金会在内的一个大型合作机构的支持。地面观测站预计将于2025年投入使用。

欧几里德、罗曼和鲁宾的共同努力将开创宇宙学的新“黄金时代”，科学家们将收集比以往任何时候都更详细的关于暗能量巨大奥秘的信息。

此外，美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（2021年发射）是世界上最强大和最大的太空望远镜，旨在为多个研究领域做出贡献，并将为暗能量研究做出贡献。

美国国家航空航天局的SPHEREx（用于宇宙历史、再电离时代和国际海洋考察理事会探测器的分光光度计）任务计划不迟于2025年4月发射，旨在调查宇宙的起源。科学家们预计，SPHEREx收集的数据将有助于加深我们对暗能量的了解。SPHEREx将在近红外光下观测整个天空，包括4。5亿多个星系。

美国国家航空航天局还支持一个名为暗能量探索者的公民科学项目，该项目使世界上任何人，甚至那些没有受过科学训练的人，都能帮助寻找暗能量的答案。

*简短说明*

最后，澄清一下，暗能量不同于暗物质。它们的主要相似之处是我们还不知道它们是什么！