暗能量新解？─詹姆斯韋伯的新發現

文/Steed的圍脖(發表於2025/3/26)

你正在觀看一部關於宇宙命運的史詩大片。幾十年來，主流的「劇情」告訴我們：宇宙不但在膨脹，而且在一種神秘力量——「暗能量」的驅動下，膨脹得越來越快，未來可能會走向一片冰冷、空寂甚至徹底撕裂的結局。但現在，最新的天文觀測數據，就像一位突然闖入的「劇透黨」，悄悄遞來一張紙條，上面寫著：

「等等，暗能量好像沒那麼『給力』了，結局可能要改寫！」

這到底是怎麼回事呢？讓我們從頭說起。

「反派」登場：暗能量與加速膨脹的宇宙

故事要回到上世紀末的1998年。那一年，天文學家們扔出了一顆「重磅炸彈」：

他們發現，我們的宇宙不只是在膨脹(這事兒我們早就知道了)，而且膨脹的速度還在加快！這太奇怪了，就像你往天上扔個蘋果，它不但沒掉下來，反而加速衝向太空，完全違反了我們熟悉的引力常識。

為了解釋這個現象，科學家不得不引入一個神秘的角色——暗能量(Dark Energy)。你可以把它想象成一種遍布宇宙、具有「排斥力」或者說「反引力」效果的東西。它不像我們熟悉的物質那樣產生引力把東西拉到一起，反而像是不斷地往宇宙這個「氣球」裡吹氣，讓星系之間互相遠離的速度越來越快。

更重要的是，過去大家普遍認為，暗能量的「勁兒」是恆定不變的。它就像一個固定的背景能量，無論宇宙如何膨脹，它的密度始終不變。這個想法和愛因斯坦在他的廣義相對論裡曾經引入又後悔去掉的宇宙學常數(Cosmological Constant, 常用希臘字母Λ表示)很像。這個常數可以理解為真空本身所具有的能量。

按照這個「標準劇本」(也就是所謂的ΛCDM模型，其中Λ代表宇宙學常數，CDM代表冷暗物質)，宇宙的早期，物質密度很高，引力是老大，能壓制住暗能量。但隨著宇宙不斷膨脹，物質變得稀疏，它們之間的引力逐漸減弱。而暗能量呢，由於它的「勁兒」不變，影響力就相對越來越大。大約在50億年前，暗能量終於「翻身做主」，超越了引力，從此宇宙就進入了加速膨脹的快車道。這個模型在過去幾十年裡解釋了大量的觀測數據，被認為是描述宇宙的標準模型。

新線索來了：DESI繪制的最大宇宙地圖

然而，科學總是在不斷挑戰已知。最近，一個名為DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument，暗能量光譜巡天儀)的大型科學項目，給這個「標準劇本」打上了一個問號。 DESI安裝在美國亞利桑那州的基特峰國家天文台，是一個超級強大的「宇宙人口普查員」。它能同時觀測5000個星系的光譜。什麼是光譜呢？你可以把它想象成來自遙遠星系的光經過「三稜鏡」後分解成的彩色條碼。通過分析這些「條碼」，科學家就能精確得知星系的距離、運動速度等關鍵資訊。

DESI團隊最近公佈了他們頭三年觀測的成果，分析了多達1500萬個星系和類星體(Quasar，宇宙早期極其明亮的遙遠天體)的數據，繪製出了有史以來最大、最詳細的宇宙三維地圖。這就像是為宇宙繪製了一幅前所未有的「高精度導航地圖」。

「劇情」反轉：暗能量可能並非一成不變？

最有趣的部分來了。科學家發現，如果單看DESI自己繪制的這幅「地圖」，它其實和我們原來的「標準劇本」(ΛCDM模型，暗能量恆定不變)是相當吻合的。

但是，當他們把DESI的數據，和我們已有的其他重要「宇宙線索」——比如來自宇宙大爆炸「餘暉」的宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background, CMB)、遙遠星系光線被巨大引力彎曲產生的引力透鏡(Gravitational Lensing)效應、以及作為「標準燭光」測距的超新星(Supernova，特指Ia型)爆發數據——結合起來進行綜合分析時，一個令人驚訝的可能性浮現了： 要想最好地同時解釋所有這些觀測數據，最合適的模型，竟然是暗能量的強度正在隨著時間減弱！

這可不是空穴來風。

其實，DESI在2024年發佈的第一批數據，以及另一個獨立的「暗能量巡天」(DES)項目，就已經隱約給出了類似的暗示。這次DESI發佈的數據量翻了一倍多，使得「暗能量可能正在變弱」這個想法變得更加「靠譜」了一些。

是世紀發現還是空歡喜？

這個發現如果最終被證實，那絕對是宇宙學領域的「驚天大新聞」。

「我們看到的現象非常耐人尋味」，DESI項目聯合發言人、加州大學聖克魯茲分校的Alexie Leauthaud-Harnett激動地說，「想到我們可能正處於揭示暗能量和宇宙基本性質重大發現的邊緣，真是令人興奮。」

如果暗能量真的不是一個常數，而是可以變化的，那就意味著我們奉為圭臬的ΛCDM標準模型可能並不完全正確，甚至需要重大修改。這不僅會改變我們對宇宙演化歷史和未來命運的理解，甚至可能觸及物理學的根基。正如未參與研究的英國愛丁堡皇家天文台的Andy Taylor所說，如果得到證實，「這將是一個極其重大的成果，本身就足以獲得諾貝爾獎。」荷蘭萊頓大學的Henk Hoekstra也認為，這「將是真正革命性的——甚至可以說比發現宇宙加速膨脹本身更重大。」

不過，科學是非常嚴謹的。目前，這個「暗能量正在變弱」的證據，在統計學上還不夠「鐵板釘釘」。Andy Taylor也提醒說：「認為暗能量是動態的這一說法的(統計)顯著性仍然不高。目前仍有可能這種差異只是統計上的巧合，或者數據中還存在某些未被發現的系統誤差。」換句話說，現在就宣佈「改寫劇本」還為時過早。

宇宙的未來：少了一點「撕裂」的可能？

暗能量的性質，直接關係到宇宙的終極命運。如果暗能量真的像過去認為的那樣恆定不變甚至未來會增強，那麼宇宙可能會走向一種被稱為「大撕裂」(Big Rip)的結局：在遙遠的未來(比如大約220億年後)，暗能量的斥力會強到無法想像，不僅星系會被撕開，就連恆星、行星，甚至構成物質的基本粒子和原子本身，都可能被徹底撕碎。

但如果這次DESI等項目的新暗示是真的，暗能量正在減弱，那麼，「大撕裂」這種極端慘烈的結局發生的可能性就大大降低了。宇宙的未來或許會溫和一些，但具體會怎樣，還需要更深入的研究才能知曉。

正如DESI項目主管、伯克利實驗室的Michael Levi所感慨的：

「無論暗能量的本質是什麼，它都將塑造我們宇宙的未來。我們能夠用望遠鏡仰望星空，試圖回答人類有史以來提出的最宏大的問題之一，這本身就相當了不起。」

所以，暗能量到底是不是「變心」了？宇宙的這部史詩大片，是否真的要在關鍵時刻修改劇本？目前，我們還只是看到了一個引人入勝的「預告片」。科學家還需要收集更多、更精確的數據來反覆驗證。但這無疑是當前宇宙學研究中最激動人心的前沿之一。讓我們一起期待，看看未來的觀測能否為我們揭開這個宇宙級的謎底吧！

圖源：DESI Collaboration / DOE / KPNO / NOIRLab / NSF / AURA / C. Lamman

文案：來自Colin Stuart 發在Sky&Telescope上的報導