大约100年前，埃德温·哈勃发现宇宙正在膨胀：几乎所有星系都在远离我们自己的银河系，而且遥远的星系后退速度更快。这一发现意义深远，但紧随其后的是1998年一个更加惊人的认识：膨胀正在加速。在20世纪的大部分时间里，科学家们一直期望随着时间的推移，引力会将星系相互拉近，从而减缓膨胀。然而，两组天文学家研究了超新星——作为测量宇宙距离标志的爆炸恒星——后发现，宇宙的增长实际上正在加速。这一非凡的发现后来得到了其他观测的证实，并于2011年获得了诺贝尔物理学奖。但是，宇宙为什么在加速？这个谜团是科学领域最大的未解之谜之一。
为了解释它，宇宙学家提出了两种替代观点，任何一种观点都将彻底改变我们对自然规律的理解。一种观点是，艾萨克·牛顿（以及最近的阿尔伯特·爱因斯坦）并没有对引力做出最终定论：虽然引力在地球和太阳系中是吸引力，但当涉及到星系际空间的广阔距离时，它可能会以不同的方式起作用，变成一种排斥力。也许我们需要修改关于引力在宇宙尺度上如何运作的理论。
另一种观点是，宇宙中充满了某种看不见的物质——现在称为暗能量——它抵消了引力，使物体相互排斥而不是相互吸引。宇宙学测量表明，如果暗能量存在，那么它目前占宇宙质量或能量的约70%（正如爱因斯坦在他的方程E = mc
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2所证明的那样，质量和能量是等价的）。暗物质（与暗能量无关）是一种看不见的物质形式，约占25%，而正常物质——由原子构成的东西，包括恒星、行星和人类——仅贡献约5%。这种图景比引力在大尺度上以不同方式运作的观念更受关注，因为它巧妙地解释了宇宙中星系和更大结构的形成，并且与迄今为止的所有测量结果一致。
但是，我们如何才能确定暗能量是否是宇宙加速的罪魁祸首？如果是暗能量，那么这种物质的本质是什么？我们最近启动了一个雄心勃勃的项目，称为暗能量巡天项目（DES），以更好地理解宇宙为何似乎正在分崩离析。
该巡天项目应该通过以前所未有的精度，收集宇宙膨胀140亿年历史以及大尺度结构（遍布宇宙的巨大星系团）增长率的完整记录来提供答案。通过研究结构如何随时间聚集在一起，我们希望区分导致它们现在分离的各种可能性。
我在费米国家加速器实验室和芝加哥大学的同事，以及来自美国、西班牙、英国、巴西、德国和瑞士25个机构的300多名物理学家和天文学家，组成了DES合作组织，共同致力于建造、运行和分析来自暗能量相机的数据，暗能量相机是我们项目的硬件核心。
2012年，我们将这台相机安装在位于智利北部安第斯山脉高处的美国设施塞罗·托洛洛美洲际天文台的一台四米直径的望远镜上。它于当年9月拍摄了第一批夜空快照，并在随后的几个月内进行了调试。2013年8月31日，DES正式开始对南部天空的大片区域进行巡天。该巡天项目目前正处于第三个观测季，每年8月至次年2月运行，为期五年，最终将生成大约2亿个星系的深层、高分辨率地图，这些星系分布在八分之一的天空中，以及一个可以用来追踪宇宙膨胀的恒星爆炸目录。该巡天项目已经收集了大量正在分析的数据，有望揭开宇宙膨胀的秘密。
相互竞争的假设
幸运的是，对于科学家来说，应该区分修正引力假设和暗能量假设的相同证据，也应该有助于阐明暗能量是什么（如果它存在的话）。该巡天项目将测试关于暗能量的两个主要观点。对其最简单的解释可能看起来违反直觉：它是空的空间的能量。假设你拿一个盒子，清空里面所有的物质——所有的原子、辐射、暗物质等等——并且没有任何东西可以穿透它的壁。盒子的内部将是完美的真空。根据经典物理学，真空——空的空间——没有能量。但量子理论认为，即使是空的空间也携带着能量。物理学家认为这种能量来自“虚”粒子：在任何时候，一个粒子和它的反粒子都可以自发地瞬间出现，然后相互湮灭并消失回真空中。虚粒子携带的能量形式正是构成暗能量并导致宇宙膨胀加速所需的能量形式。
这个概念的唯一困难是，量子物理学预测，空间中的真空能量的数量应该比它如果负责暗能量时看起来的数量大120个数量级（10
120）。如果你正在解决一个数学问题，很难犯这么大的错误。部分由于这种差异，宇宙学家提出了真空能量以外的其他暗能量解释。
其中一个观点——巡天项目正在测试的第二个观点——是暗能量以一种迄今未被探测到的粒子的形式存在，这种粒子可能是最近发现的希格斯玻色子的远房表亲：它将具有希格斯粒子的一些特性，但质量将轻44个数量级。这种可能性有时被称为“精质”。人们可以将这种粒子想象成一个在空间中的每个点都在下坡滚动的球。滚动的球携带动能（由于它的运动）和势能（由于它滚下的山的高度）；物体越高，其势能越大。当它向下滚动时，其势能下降，而其动能上升。如果精质粒子非常轻，质量小于约10
−33电子伏特（相比之下，电子的质量为511,000电子伏特），那么它今天将滚动得非常缓慢，动能相对于势能而言相对较小。在这种情况下，它对宇宙膨胀的影响将与真空能量的影响相似但不相同，并且会导致加速，尽管大多数版本的精质预测加速将在宇宙历史中比真空能量是罪魁祸首时开始得更晚。
四种探测方法
为了区分宇宙加速的可能原因，暗能量巡天项目——该项目由美国能源部和国家科学基金会资助，并得到参与机构和外国资助机构的额外支持——正在研究四种对任何导致宇宙分离的事物特别敏感的现象。而且由于每种现象都涉及不同的可观测量，因此这四种探测方法不会都受到相同的测量误差的影响。
这四种现象是超新星、原始声波的特征、引力透镜（引力对光的弯曲）和星系团。它们共同告诉我们宇宙膨胀的速度有多快，以及在宇宙历史的不同时期物质聚集在一起形成大尺度结构的数量。在早期，直到大爆炸后大约数十亿年，引力与膨胀作斗争，并使大尺度结构得以形成。但是，当宇宙大约70亿岁时，物质变得足够稀薄，以至于任何导致加速膨胀的事物——无论是暗能量还是修正引力——都变得比引力更占主导地位，并加速了膨胀，逐渐停止了更大结构的进一步形成。真空能量、精质和修正引力都将在宇宙膨胀率的历史和结构增长模式中留下独特的特征，我们可以通过这四种探测方法来区分这些特征。
超新星
Ia型超新星是一种恒星爆炸，当一颗被称为白矮星的小而致密的物体达到一定的质量极限时就会发生这种爆炸。这些超新星都达到几乎相同的峰值亮度。它们在我们看来亮度上的任何差异都完全源于它们的距离：看起来较暗的那些距离更远。这一特征使它们成为所谓的标准烛光，或良好的宇宙标尺。例如，我们知道，一颗比另一颗Ia型超新星暗100倍的超新星，其距离是后者的10倍。
DES将每隔几个晚上观测同一片天空区域，以测量近距离和遥远宇宙中数千颗Ia型超新星的精确距离，这几乎是1998年发现宇宙加速时使用的超新星数量的100倍。我们还在使用其他望远镜来测量这些超新星的光向可见光谱的红色端移动了多少。这种红移发生在任何远离观测者的物体上，并告诉我们，自光发射时到现在的这段时间里，宇宙膨胀使光的波长拉伸了多少。遥远超新星的红移直接揭示了当时宇宙相对于今天的大小。结合对同一物体的标准烛光距离测量，DES将能够以极高的精度重建过去100亿年的宇宙膨胀历史。
这样的测量可以区分不同的宇宙加速理论，因为每种理论都会产生略有不同的膨胀历史。例如，如果精质在起作用，加速膨胀可能会比真空能量情景晚一些开始，并且累积得更缓慢。因此，如果宇宙包含类似希格斯粒子的精质粒子，则给定红移的超新星将显得更亮——将更近——而不是真空能量驱动膨胀的情况。如果引力的作用方式与我们想象的不同，那么遥远超新星的模式又会不同，尽管细节因研究人员对经典引力作用方式提出的具体修改而异。
这些测量中需要非常高的精度才能区分不同的模型，因为它们的预测仅略有不同。因此，我们希望以大约百分之一的精度了解距离与红移的关系——暗能量相机首次应该能够实现这一壮举。
原始声波的特征
DES还将利用来自宇宙开端的遗迹来研究其膨胀历史。在早期宇宙中，引力将物质拉到一起，而宇宙中电磁辐射（光）的向外压力则抵抗这种压缩。这种竞争产生了一系列声波。在大爆炸后几十万年，当普通物质从最初的热状态冷却到足以从电离气体转变为原子时，原子和辐射各奔东西（它们有效地停止了相互作用），这种竞争也随之停止。声波到那时为止传播的距离，今天对应于大约4.8亿光年的尺度，最终作为星系对倾向于以此距离与其他距离分隔开的轻微趋势，印在了星系的空间分布中。
这种重子声波振荡（BAO）尺度为测量宇宙距离和膨胀历史提供了标准尺。也就是说，如果你知道尺子的物理尺寸（许多星系之间4.8亿光年的跨度），并且可以测量它看起来有多大（天空中这些星系之间的角距离），那么你就可以知道它有多远。DES将测量大约2亿个星系的BAO特征，使我们能够像对超新星一样，绘制它们的距离与红移的关系图。如果精质导致宇宙开始加速的时间晚于真空能量负责且加速开始得更早的情况，则相同红移的星系将更近。如果没有暗能量，我们预计距离与红移之间的关系将与这两种情况中的任何一种情况都不同，尽管具体情况将再次取决于引力究竟是如何改变的。
引力透镜
这种方法侧重于爱因斯坦广义相对论预测的光的特征。当光线从遥远的星系传播到地球时，它们的路径会受到它们经过的物质的引力场弯曲。这种弯曲导致这些星系图像的扭曲，这种效应称为引力透镜。当弯曲效应很大时，产生的图像可能是戏剧性的：遥远的星系可能看起来像细长、非常延长的光弧，甚至可以看到同一星系的多个图像。然而，来自大多数星系的光线仅被轻微弯曲，导致其形状发生非常小的扭曲，肉眼无法辨认：这是弱引力透镜的范围。
来自天空中彼此靠近的等距星系的光线，由于它们大致穿过相同的中间物质，因此被弯曲的程度几乎相同。通过测量天空小块区域中许多星系的形状，我们可以推断出图像被扭曲了多少，从而推断出中间物质的团块程度，即使每个星系图像仅被轻微扭曲。因此，对天空不同部分中星系的重复测量揭示了宇宙中物质的总体团块程度。这种团块程度的演变，因为它反映了引力与暗能量之间的竞争，并且对引力的任何修改都很敏感，因此可以帮助我们了解是什么导致宇宙加速。
DES将测量2亿个星系的形状，以观察这种效应，覆盖的星系数量和天空面积是先前弱引力透镜研究的20倍以上。通过极其精确地测量天空中不同距离地球的这些星系的形状，我们可以创建迄今为止最精确的物质分布图，这些分布图位于不同的距离——也就是说，位于不同的宇宙时期，因为离地球越远的东西，它的光到达我们所需的时间就越长。
该地图将因导致宇宙分离的事物而异。例如，精质在阻碍大尺度结构增长方面的影响，可能比真空能量的影响发生在更早的宇宙时期。由于我们从测量中知道今天的宇宙有多团块，因此如果精质在起作用，我们预计在宇宙更年轻时会看到比真空能量情况下更多的团块。这个预测听起来可能违反直觉，因为暗能量会阻碍团块的形成，但是为了使宇宙在数十亿年的膨胀后具有当前的结构，它早期必须相对团块。如果没有暗能量，修正引力将导致整个时间段内出现又一种不同的团块模式——尽管对于引力定律的不同表述，早期团块程度是相对更高还是更低会有所不同。
星系团
最后，DES还将搜寻星系团，以追踪宇宙团块随时间的变化。星系团的质量高达太阳质量的10
15（1,000万亿）倍，是宇宙中最大的引力束缚物体，它们是在暗能量或修正引力的拉力下形成的。与以前局限于较小天空区域的宇宙学星系团巡天项目不同，DES旨在发现数以万计的星系团，其距离可达数十亿光年。
然后，科学家将比较他们看到的靠近地球的星系团（对应于最近的时间）和遥远过去的星系团的数量。与弱引力透镜显示的物质团块程度的影响类似，我们预计，如果精质在起作用，那么在早期宇宙中看到的星系团将比真空能量塑造宇宙的情况更多（在所有其他条件相同的情况下），并且如果我们看到引力的行为异常，我们将看到一种不同且更复杂的趋势。
最先进的仪器
我们项目的秘密武器是为研究这个问题而制造的最强大的相机。安装在维克托·M·布兰科望远镜上的暗能量相机，旨在在尽可能短的时间内巡天观测众多物体，包括星系、星系团和超新星。这款超灵敏的5.7亿像素相机具有非常大的视场，由五个大型镜头实现，最适合一次性拍摄大片宇宙区域。
自2013年8月正式启动以来，该巡天项目已覆盖近5,000平方度的天空，获得了约1亿个星系的彩色图像。超新星巡天项目迄今已发现1,000多颗Ia型超新星。我们现在正在分析这些数据，以提取关于超新星距离的信息，以便与红移进行比较。我们还在测量星系形状以推断弱透镜信号，识别遥远的星系团并测量它们的属性，以及测量星系的空间分布以寻找重子声波振荡特征。大约一年后，第一阶段的分析应该完成，我们可以开始寻找揭示宇宙膨胀本质的线索。
与此同时，该实验取得了一些有趣的天体物理学发现，例如在银河系后院发现了16个超微弱矮星系候选者。这些非常附近的星系包含的恒星数量少至几十颗，是宇宙中已知的暗物质主导程度最高的物体之一。它们的黑暗使它们非常难以探测，但它们作为像我们自己的银河系这样更大的星系的构建块，以及作为探测暗物质本质的潜在场所而受到关注。
更多的DES数据正在不断涌入。当您阅读本文时，科学家们正在分析这些观测结果，以寻找关于暗能量本质的线索。我们尚不清楚DES是否会提供明确的答案——暗能量还是修正引力？真空能量还是精质？——但我们确实知道，它将为寻找暗能量以及我们宇宙神秘加速膨胀的根本原因迈出下一个重要步骤。