暗能量可能会越来越弱，这表明宇宙将以“大崩溃”告终

第三只手烈

暗能量光谱仪器（DESI）第一年数据的插图，显示了DESI在其五年调查期间正在构建的更大3D地图的一部分。（图片来源：DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P.Horálek/R.Proctor）

据美国太空网（Robert Lea）：目前宇宙、其历史和演化的“标准模型”被称为Lambda冷暗物质（LCDM）模型，但该模型的至高无上地位，其中Lambda代表宇宙学常数和暗能量，现在可能受到严重威胁。

简言之，这是因为对宇宙的新观测表明，导致宇宙膨胀越来越快的暗能量似乎正在减弱。这本身听起来可能不算什么，但这一发现实际上有可能导致宇宙学自25年前发现宇宙加速膨胀以来的首次重大范式转变。它甚至可能表明，宇宙不会以“大撕裂”或“大寒”结束，而是以“大挤压”结束。稍后，首先，让我们深入研究这些迷人的结果。

关于暗能量演化的新线索是有史以来最深的宇宙地图之一的一部分，该地图是利用暗能量光谱仪器（DESI）收集的第一年数据构建的。该仪器的5000只机器眼收集来自数百万个星系的光，这些星系覆盖了我们从地球上看到的整个天空的三分之一以上。然后，这些光被分解成一系列颜色，使科学家能够通过测量被称为“红移”的光波长变化来测量数十亿年来宇宙的膨胀

在不超过DESI任务运行时间的五分之一的时间内收集到的数据，已经预示着重大的变革，并让宇宙学家对接下来的事情感到兴奋。

前DESI团队成员、哥伦比亚大学ECCI的宇宙学家Luzángela García Pe?aloza告诉Space.com：“这些结果的发布对宇宙学来说是一个伟大的日子，表明暗能量的影响随着时间的推移而‘减弱’，这意味着暗能量正在进化，因此，它毕竟不是恒定的。”

宇宙学的标准模型是什么？

LCDM模型表明，在大爆炸之后，宇宙密度很大，非常热，但也非常光滑，在各个方向上或多或少相同或同质。

随着宇宙的膨胀，密度开始出现微小的波动，这些密集的斑块也在增长。随着宇宙的演化，暗物质团开始凝结，新形成的原子聚集并刺激这些团中的气体分子。这导致了一个充满氢和氦（两种最轻、最简单的化学元素）以及暗物质的宇宙。

电子与质子结合产生第一个原子意味着光突然可以自由传播，而这第一个光今天被视为宇宙微波背景（CMB），这是一种“化石”辐射，可以告诉我们很多关于宇宙历史的信息。

密度更高的区域将气体和暗物质聚集在一起，形成了LCDM模型中第一批星系的种子，这些星系坍塌成了原始星系。在这些早期星系中，氢气和氦气创造了第一批恒星。最后，原星系和它们周围的光环合并形成了越来越大的星系。

然而，重要的是，在这个模型中，暗能量由λ表示。λ应该是恒定的。

García Pe?aloza说：“DESI发现宇宙的‘状态方程’与通常的LCDM模型不一致，但相反，它显示出暗能量随时间变化的迹象。”。“这些发现为可变暗能量模型打开了一扇窗户，因为它们显示了对常数状态方程的偏离。

“这非常令人惊讶，因为到目前为止，大多数宇宙学观测都支持LCDM模型。整个宇宙学界都非常震惊。”

如果DESI的这些新发现被证明是准确的——而且它们目前看起来非常稳健——那么宇宙学常数可能不再是暗能量神秘力量的合适代表。

然而，一些物理学家可能欢迎废除宇宙学常数。几十年来，它不仅一直是一个令人头疼的问题，而且这也不是我们对宇宙日益增长的理解第一次有理由对其进行处理。

回到理论垃圾箱

自20世纪初以来，以希腊字母Lambda表示的宇宙学常数一直给物理学家带来很大的问题。

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦发布了可以说是他最具革命性的广义相对论，该理论将引力描述为一个从空间和时间的曲率中产生的概念——一种由有质量的物体引起的曲率。

两年后的1917年，爱因斯坦和荷兰天文学家Willem de Sitter证明了广义相对论方程可以用来描述宇宙，尽管它是一个高度简化的宇宙。然而，出现了一个问题；广义相对论方程描述的宇宙并不是静止的宇宙。当时，在物理学中，普遍的共识是宇宙是静止的，既不膨胀也不收缩，爱因斯坦同意这一共识。因此，他在他的方程中添加了一种“模糊因子”：宇宙学常数，或lambda。

这平衡了宇宙，增加了正确的推力和拉力，使其保持静止。



宇宙常数（lambda）被送回宇宙垃圾箱的插图。（图片来源：Robert Lea）

大约12年后的1929年，埃德温·哈伯在研究遥远的星系时发现，来自它们的光正在被拉伸或“红移”。他认为，星系离得越远，这种影响就越大。这表明宇宙不是静止的，而是在膨胀。科学家们将在接下来的70年里试图测量这种膨胀的速度，这是由一个被称为“哈勃常数”的值决定的

爱因斯坦不再需要描述一个静态的宇宙，他从宇宙方程中删除了宇宙学常数，据称他将lambda的引入描述为自己的“最大错误”。但宇宙学常数不会在宇宙垃圾桶里呆太久。在20世纪末之前，lambda将以一种新的方式回归。



Ia型超新星的动画，天文学家用来发现宇宙膨胀的“标准蜡烛”恒星爆炸正在加速。（图片来源：美国国家航空航天局）

1998年，两个独立的天文学家团队在对遥远的1a型超新星进行观测并将其用作宇宙距离测量时，发现宇宙的膨胀实际上并没有像人们预期的那样放缓。它正在加速。然后，暗能量被引入，作为导致这种加速膨胀的占位符。

García Pe?aloza说：“尽管它占宇宙总物质和能量预算的70%，但没有人知道它是什么。”。

在许多宇宙模型中，包括流行的LCDM模型中，暗能量由拯救的宇宙学常数或lambda表示，该常数现在起到对抗引力的作用，并以更快的速度将空间和时间的结构分开。

尽管如此，在被引入作为空间加速膨胀的一个值之后，宇宙学常数仍然是一个问题。观测遥远超新星所提供的值和量子物理理论预测的值继续变化很大，相差多达10的121次方（1后面跟着121个零）。

更接近于理解暗能量吗？

要想理解为什么暗能量和宇宙加速膨胀如此令人震惊，可以考虑这个地球上的类比：想象一下，给一个荡秋千的孩子一个大推力。这类似于宇宙大爆炸，它引发了宇宙的膨胀。随着时间的推移，挥杆可能会变慢，并逐渐达到弧线中的较低点，对吧？这类似于宇宙的膨胀随着宇宙的老化而减慢。

但是，突然之间，当挥杆几乎停止时，你不需要再用力，想象一下它突然恢复运动。不仅如此，想象一下它摆动得越来越快，达到越来越高的点。这相当于宇宙学常数用来描述的暗能量的作用。

难怪科学家们急于确定这种额外宇宙推力的原因；暗能量似乎越来越弱的发现给情况增加了一层复杂性。

García Pe?aloza解释道：“这是一个很好的迹象，表明LCDM模型可能并不是暗能量本质的‘最终答案’。”。“这是一个巨大的进步，但这些结果可能并没有让我们更接近这个答案；它们更多地告诉我们如何描述与时间有关的暗能量，可能是一种充满宇宙的流体，可以用一个不恒定的状态方程来描述。”



在这张长时间曝光的夜空照片中，一些奇怪的恒星轨迹与北极星（北极星）不同。这是因为这些实际上不是恒星，而是流星，或者在8月中旬达到顶峰的英仙座流星雨期间从太空坠落的流星。天体摄影师马克西姆·塞宁在洛杉矶帕德雷斯国家森林的洛杉矶天文学会黑暗天空现场拍摄到了这张照片。一张长时间曝光的照片显示了地球上恒星的轨迹。如果宇宙膨胀的加速度在亿万年内是恒定的，那么这样的图像将是不可能的。（图片来源：Maxim Senin）

回到秋千的比喻，发现是什么导致了额外的、看不见的推力，对于理解孩子在秋千上的命运至关重要：他们会降落在灌木丛中、安全地降落在地面上还是被发射到太空？同样，理解暗能量至关重要，因为它的进化或缺乏将决定宇宙的命运。它甚至可以向我们展示我们未来从地球上看到的景象。

García Pe?aloza说：“有一种情况是，如果暗能量是不变的宇宙学常数，那么在亿万年后，所有星系都会相互远离，以至于地球上的夜空将空无一人。”。

这可能导致宇宙最终成为一个由大范围分离的死星系组成的寒冷宇宙，即所谓的“大寒”场景。或者，持续加速的膨胀可能导致时空结构撕裂，这种场景被称为“大撕裂”

然而，新的DESI地图可能表明了一种不同的宇宙命运，即宇宙再次坍塌到大爆炸后的高温致密状态。García Pe?aloza补充道：“如果DESI第一年的结果是真的，那么宇宙的加速膨胀将停止并最终逆转，宇宙可能会在引力的影响下开始融合。”。“这可能最终导致宇宙以‘大崩溃’的场景结束。”

García Pe?aloza和其他宇宙学家渴望看到未来四年的DESI观测为我们理解宇宙、宇宙起源和宇宙命运带来了什么。

García Pe?aloza特别表示，在DESI运行的第二年和第三年，望远镜应该会探索红移空间畸变，这些数据使本已稳健的DESI结果更加令人印象深刻。DESI结果的最后一年应该与欧几里得太空望远镜第一年数据的发布相吻合，该望远镜于2023年7月1日发射，为我们理解宇宙提供了强有力的“双重打击”。

García Pe?aloza总结道：“我们将从两个完全不同的任务中对宇宙有一个非常互补的愿景。”。“它们将为我们提供一个全新的视角，让我们了解宇宙的行为，以及暗能量如何塑造更大规模的宇宙结构。”