近期，暗能量光譜儀 (DESI) 合作組發(fā)布了新的宇宙膨脹天圖，發(fā)現(xiàn)暗能量或許并非恒定不變，宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型可能需要重大修正？

編譯 | 徐仁新（北京大學(xué)）

近一個(gè)世紀(jì)以來，人們一直知道宇宙在膨脹，僅四分之一世紀(jì)前又發(fā)現(xiàn)膨脹正在加速 (獲得2011年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。究竟何種神秘力量 (稱為“暗能量”) 驅(qū)動(dòng)這一加速膨脹？最簡單的解釋源自愛因斯坦的“宇宙常數(shù)” (Λ)，即暗能量乃時(shí)空內(nèi)稟屬性；它是標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的基石。數(shù)十年來，人們用帶宇宙學(xué)常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型 (即ΛCDM) 解釋所有天文觀測，而新的高精度觀測正在對該模型進(jìn)行最嚴(yán)格的檢驗(yàn)?！鞍的芰抗庾V儀 (DESI) ”項(xiàng)目繪制出了前所未有的大尺度天圖 (如下圖所示)，發(fā)現(xiàn)暗能量或許并非恒定不變。這意味著我們對宇宙的認(rèn)知可能需要重大修正。

DESI前三年數(shù)據(jù)的切片，繪制了迄今最大的宇宙天圖

刻畫宇宙的膨脹史需要一把確定物理尺寸的“標(biāo)尺”。宇宙幼年時(shí)殘留的漣漪，即重子聲波振蕩 (BAO)，可以充當(dāng)這把尺子。大爆炸約38萬年后，早期等離子體中的聲波從高密度區(qū)向外傳播，正如石子投入池塘激起漣漪那樣。宇宙膨脹、冷卻到一定時(shí)期，光子與物質(zhì)脫耦，BAO漣漪被有效“凍結(jié)”，在空間上留下的印記就會(huì)體現(xiàn)一個(gè)特征尺度。這一尺度可通過星系等密度的微小漲落來測量。

通過觀測宇宙不同歷史時(shí)期標(biāo)尺的大小，人們即可測算宇宙膨脹率的時(shí)間演化。DESI巡天傳承自此前的SDSS，且規(guī)模更大；它繪制了數(shù)千萬天體的三維空間分布。該巡天選用不同類型的天體來“示蹤”不同時(shí)期的宇宙。針對近鄰宇宙 (紅移z 低于0.4)，采用“亮星系巡天”樣本。再通過“亮紅星系”和“發(fā)射線星系”探測更遠(yuǎn)的宇宙。對于高紅移(z >2)情形，DESI利用類星體來示蹤。類星體輻射穿越宇宙網(wǎng)、薄片和空洞后形成氫元素的吸收譜線，即萊曼—阿爾法森林，它們可示蹤宇宙重子物質(zhì)分布的結(jié)構(gòu)。DESI通過觀測82萬余類星體的光譜并分析萊曼—阿爾法森林，探測到了110億年前的宇宙。

這項(xiàng)研究整合了所有示蹤天體 (從近鄰星系到遙遠(yuǎn)類星體)，繪制出了迄今最全的宇宙天圖。DESI巡天前三年即獲得超過千萬個(gè)星系和類星體的數(shù)據(jù)，并且測量精度驚人：BAO尺度誤差低于1%，比首次發(fā)布時(shí)提升了30%至50%。

DESI團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些觀測數(shù)據(jù)能夠很好地與標(biāo)準(zhǔn)模型ΛCDM吻合，但其最佳擬合參數(shù)與宇宙微波背景輻射觀測給出的結(jié)果之間存在微小、卻日益明顯的差異。盡管數(shù)年前DESI與CMB的分析結(jié)果在誤差范圍內(nèi)保持一致，但新結(jié)果還是揭示了潛在分歧：兩種方法的不一致性達(dá)到2.3倍標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)然，這一偏離尚未達(dá)到宣稱新發(fā)現(xiàn)的地步，卻極具研究價(jià)值。

設(shè)想暗能量并非是宇宙學(xué)常數(shù)？這將是戲劇性的。DESI團(tuán)隊(duì)探索了較靈活的模型，讓暗能量“狀態(tài)方程”的關(guān)鍵參數(shù)w (定義為壓強(qiáng)與密度之比) 隨時(shí)間變化 (在ΛCDM模型中恒有w=-1)。允許w隨時(shí)間演化即能更好地?cái)M合DESI數(shù)據(jù)。值得注意的是：將DESI數(shù)據(jù)與宇宙微波背景輻射、超新星等其他觀測結(jié)合起來研究時(shí)，暗能量演化的顯著性達(dá)4.2倍標(biāo)準(zhǔn)差，暗示著暗能量最近可能增強(qiáng)了。若最終獲得證實(shí)，這將是里程碑式的突破。

我們身處一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)代。雖然DESI的結(jié)果并未明確推翻標(biāo)準(zhǔn)模型，但是它強(qiáng)烈暗示ΛCDM模型可能存在缺陷。DESI的高精度測量也是革命性的：關(guān)于暗能量的任何新理論都必須與這些宇宙膨脹史測量數(shù)據(jù)一致。

注意：DESI的研究還在深入開展。這里的結(jié)果僅基于五年巡天計(jì)劃中前三年的數(shù)據(jù)，而未來更龐大的數(shù)據(jù)集有望降低統(tǒng)計(jì)誤差，明確暗能量是否演化。當(dāng)然，DESI跟其他項(xiàng)目的協(xié)同觀測也同樣重要，如歐幾里得衛(wèi)星、魯賓天文臺(tái)等。

未來無外乎三種可能：鞏固標(biāo)準(zhǔn)模型、審視系統(tǒng)誤差、發(fā)現(xiàn)暗能量演化，結(jié)局都將是意義深遠(yuǎn)的。讓我們期待DESI發(fā)布全部五年觀測的分析結(jié)果！

編譯來源

Matteo Viel. Physics，October 6，2025

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“中國物理學(xué)會(huì)期刊網(wǎng)”。

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