它比宇宙中其他一切都重，它支配着宇宙的命运，并且无法用已知的物理学来解释。
暗能量是物理学家用来描述某种物质、力或空间属性的名称，这种物质、力或空间属性正在扰乱宇宙，使其膨胀加速。到目前为止，我们对它几乎一无所知，这使得关于它的理论不受控制地增多。但是天文学家正在使用一系列令人印象深刻的仪器来解决这个问题。望远镜和射电探测器正在追踪越来越多的宇宙，希望能找到暗能量的指纹。航天机构正在计划两项任务来研究这种物质。最剧烈的恒星爆炸可能会提供关于其对早期宇宙影响的见解。随着引力波探测器开始监听暗能量对碰撞黑洞回声的影响，一个新的天文学分支也可能发挥作用。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
与寻找暗物质不同，这项探索是一项年轻的探索。自 1920 年代后期以来，科学家们就知道宇宙正在膨胀，但人们认为膨胀一定在减速，因为星系和其他物质之间的引力起到了刹车的作用。1998 年，两个团队发现了完全相反的情况。他们一直在寻找一种特定类型的恒星爆炸——Ia 型超新星，这种超新星发生在白矮星发生失控核反应时。Ia 型超新星的本征亮度由其光线衰减的速度决定——较亮的超新星燃烧时间较短。因此，通过计算 Ia 型超新星衰减所需的天数，您可以计算出爆炸释放的光量；然后，通过测量其在地球上的视亮度，您可以计算出超新星的真实距离以及光线传播的时间。这种类型的宇宙学探测器被称为标准烛光。
天文学家还测量每颗超新星的红移。这是自光线发射以来光波波长被拉伸的量，它揭示了空间膨胀的程度。将这些观测结果结合起来，天文学家可以确定宇宙随时间的膨胀——这就是两个团队如何发现膨胀速度不是减速，而是加速的。他们的结论是：某种东西似乎正在压倒引力的吸引力。
一个持久的谜题
现在被称为暗能量的“某种东西”笼罩在神秘之中。我们只知道它具有向外推的奇特属性，这与引力不同，引力曾被认为是主要的宇宙力量。现在天文学家想 выяснить 这种神秘现象是否随时间变化。他们已经开始更仔细地观察宇宙是如何膨胀的——有些人通过改进超新星标准烛光的使用，另一些人则通过设计新的宇宙学工具。
到目前为止，最有效的工具是基于宇宙声波。在大爆炸后不久，宇宙充满了离子、电子和辐射的弹性混合物。小的密度异常（由宇宙诞生最初 10−32 秒的量子涨落产生）敲击了这个宇宙钟，发出向外扩散的声波。大约 40 万年后，宇宙冷却到足以让离子捕获自由电子。由于由此产生的中性原子对辐射是透明的，让光子从它们身边呼啸而过，因此混合物不再具有弹性。由于声音需要弹性介质才能传播，因此原始声波被阻止，在宇宙的大尺度结构上留下了不可磨灭的印记。因此，星系不是完全随机分布的，而是略微倾向于以规则的间隔排列。随着宇宙膨胀，特征距离一直在增长，今天约为 5 亿光年（153 百万秒差距）。
点击放大。 来源：自然，2016 年 9 月 28 日，doi:10.1038/537S201a
正如超新星可以作为标准烛光一样，这些重子声波振荡 (BAO) 可以充当标准尺子。标记足够多的星系的位置，您就可以测量 BAO 的视大小。将其与红移预测的大小进行比较，您就可以计算出这些特定 BAO 的距离。通过测量这些星系的红移，并将其与距离作图，可以揭示空间膨胀在宇宙历史中的行为方式。
斯隆数字巡天项目名为重子振荡光谱巡天 (BOSS) 的计划在 7 月份揭示了迄今为止 BAO 的最佳视图。这是迄今为止规模最大的星系巡天。“这项技术真的开始发挥作用了，”加州大学伯克利分校的物理学家索尔·珀尔马特说，他领导了 1998 年发现暗能量的团队之一，并因这项工作与亚当·里斯和布莱恩·施密特分享了 2011 年诺贝尔物理学奖。
BOSS 数据不仅用独立的证据支持了超新星结果，证明膨胀正在加速，而且还提供了一些关于暗能量如何表现的线索。加速模式表明，如果暗能量正在变化，那么它的变化速度不会很快。
就目前而言，这个结论似乎有利于暗能量的候选者，即宇宙学常数。在 1920 年代，爱因斯坦曾尝试在他的广义相对论方程中添加一个常数项——相当于赋予空的空间自身能量。根据广义相对论，这个宇宙学常数确实会抵抗普通引力的力。爱因斯坦最初调整了常数的值，以创建一个平衡的静态宇宙模型。但在 1929 年，埃德温·哈勃表明遥远的星系正在远离我们，天文学家意识到宇宙实际上正在膨胀。爱因斯坦放弃了这个常数。然而，现在，随着宇宙膨胀正在加速的证据出现，宇宙学常数又重新受到关注。
能量之谜
问题是为什么空间真空应该具有能量。量子场论假设存在大量的虚粒子，它们短暂地出现然后消失——这似乎是一个荒谬的想法，但量子理论家已经能够用它来非常准确地预测普通粒子如何相互作用。这些虚粒子可能是暗能量排斥力的幕后推手。
但很难使数字匹配。产生观测到的宇宙加速所需的真空能量约为每立方公里空间 1 焦耳；最简单的量子场论版本将这些虚粒子的能量加起来，得到的值比该值高出约 120 个数量级。如此密集的真空能量会迅速将宇宙撕成碎片，而显然这种情况并没有发生。
也许科学家们遗漏了一些东西。尚未发现的粒子可能会抵消已知粒子提供的能量。但是，尽管设计一个使值为零的理论很简单，但要几乎但不完全抵消一个巨大的数字以留下所需的少量真空能量却很困难。“宇宙学常数是一个奇怪的野兽，”珀尔马特说。“它使理论看起来非常不对称。”
因此，尽管宇宙学常数仍然是领跑者，但理论家们一直在忙于设计暗能量的替代形式。有些人创建了新的引力理论，类似于广义相对论，但在非常大的尺度上产生排斥力。另一些人假设存在某种充满空间的流体，有时称为精质，它的作用有点像宇宙学常数，但密度缓慢变化。无论答案是什么，暗能量都是打开“一个完全未探索的基础物理学领域”窗口的关键，宾夕法尼亚州费城宾夕法尼亚大学粒子宇宙学中心主任、理论宇宙学家马克·特罗登说。找到答案不仅会改变对自然的看法，还会预示宇宙的命运。
星系巡天
许多项目正准备更深入地探究这个黑暗的谜团，并 выяснить 暗能量是否真的在整个宇宙中始终保持不变。暗能量巡天 (DES) 已经开始，它使用位于智利的维克托·M·布兰科望远镜扫描南半球天空的广阔区域，观测超新星并编目超过 2 亿个星系。2017 年初，一项规模更大的巡天——位于西班牙特鲁埃尔附近的哈瓦兰布雷宇宙加速物理天体物理巡天 (J-PAS) 应该开始绘制其自身的宇宙 3D 地图，以揭示 BAO。它将覆盖北半球天空的大部分区域，并使用一种创新的仪器分析多达 5 亿个星系，该仪器使用 56 个滤色片来揭示红移。
与此同时，在加拿大西部，一种非常不同的仪器开始成型。加拿大氢强度测绘实验 (CHIME) 位于不列颠哥伦比亚省彭蒂克顿附近，是一种不寻常的射电望远镜，由一系列半管构成，就像一个巨大的滑板公园。它收集来自南北线的无线电波，随着地球自转而扫过天空，从而构建天空图像。
CHIME 的设计目的是接收冷氢气发出的波。与星系一样，这携带着古代声波振荡的印记。它甚至可能比星系巡天更好地揭示 BAO，因为星系是相对复杂过程的结果，而气体更直接地遵循原始声波。“这是一项非常干净的测量，”首席研究员马克·哈尔彭说。它的简单性使得该仪器的成本相对较低，为 1000 万加元（780 万美元）。“CHIME 是一笔令人震惊的划算交易，”哈尔彭说，他是加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的实验宇宙学家。
在未来十年中，预算更大的航天器和巨型地面望远镜预计将加入寻找暗能量的行列。这些大型项目，连同 DES 和 J-PAS，将共同使用四种宇宙工具。除了观测超新星和绘制 BAO 外，他们还将测量引力透镜效应并编目星系团。星系团被引力拉在一起，因此它们的增长可能揭示引力是否开始在大尺度上发生变化。引力透镜效应，即远处图像被中间物质弯曲，会在星系的排列方向上产生微妙的模式。观察这些模式如何随宇宙时间变化可以揭示暗能量的变化。
从 2023 年左右开始，位于智利的巨型综合巡天望远镜 (LSST) 有望发现大量的超新星，并精确定位数十亿个星系，以追踪 BAO、星系团增长和透镜效应。“LSST 将像打了类固醇的 DES 一样，”DES 主任乔希·弗里曼说。欧洲航天局的欧几里得任务计划于 2020 年发射，也将利用引力透镜效应。在地球大气层造成的模糊之上，欧几里得的清晰视野将能够更好地发现透镜星系的排列方向。它还将能够收集被大气层阻挡的近红外光。美国宇航局计划在 2020 年代中期发射一项类似的任务 WFIRST。WFIRST 将具有比欧几里得更清晰的视野，因为它基于更大的 2.4 米口径的反射镜——美国国家侦察局捐赠的一块光学器件，该局负责管理该国的情报卫星。“那是一场不寻常的技术再利用游戏，”珀尔马特说。
思想的爆发
即使有如此多的眼睛注视着天空，暗能量可能仍然难以捉摸。因此，一些天文学家正在研究更奇异的宇宙探测器。伽马射线暴 (GRB) 是来自遥远宇宙的高能辐射闪光。许多人认为，当大质量恒星的核心坍缩形成黑洞或中子星时，就会发生这种情况。在加利福尼亚州斯坦福大学，玛丽亚·戴诺蒂希望使用 GRB 作为一种新型标准烛光。这似乎是一项艰巨的任务，因为这些爆发以其多样性而闻名，闪烁和衰落似乎没有任何规律。“如果你见过一个 GRB，你就见过一个 GRB，”戴诺蒂说。但在 2008 年，她发现，在某些 GRB 中，发射先降至平台期，然后再次下降，平台期越短意味着爆发越亮（M. G. Dainotti et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 391,L79–L83; 2008）。
戴诺蒂对目前将 GRB 用于精密宇宙学持谨慎态度，部分原因是她的相关性尚无明确的物理原因。研究人员尚不清楚当恒星核心坍缩时 GRB 内部会发生什么——高能发射可能是由快速旋转的中子星或落入新生黑洞的物质产生的。
但是，当理论得到更好的建立后，像这样的爆发可能会照亮暗能量的早期。GRB 比 Ia 型超新星亮得多，因此它们可以用来看得更远，并将膨胀追溯到宇宙不到 10 亿年前的时候。如果暗能量正在改变其性质，那么遥远的视野可能至关重要。
引力介入
可能需要一种新型的天文学才能破解这个黑暗的谜团。2016 年，激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 合作组织最终宣布探测到时空旅行扭曲，即引力波，这是爱因斯坦一个世纪前预测的。持续不到一秒的独特啁啾声是碰撞黑洞的回声，超过 10 亿年前，当黑洞螺旋式向内运动并相互合并时，它震撼了时空结构。
“借助这样的引力波，我们可以测量距离，”英国卡迪夫大学物理学家、LIGO 合作组织成员斯蒂芬·费尔赫斯特说。波的形状揭示了黑洞的质量和发射的总能量。将其与波到达地球时的强度相结合，您就可以计算出距离。
然而，绘制膨胀历史还需要找到红移，这比较棘手。有可能找到这些事件之一的宿主星系并使用它的光来揭示红移，尽管宿主可能是广阔目标区域中的众多星系之一，因为引力波探测器尚无法精确地确定方向。如果所有这些多种多样的工具都发现暗能量的行为没有变化，研究人员可能别无选择，只能放弃并接受宇宙学常数。“当我们发现自己接受宇宙学常数时，将是理论做出令人信服的预测步骤的时候，”珀尔马特说。例如，一个理论可能会预测一类新的粒子来抑制宇宙学常数，而这些粒子随后可能会被欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机（欧洲的粒子物理实验室）探测到。
物理学家喜欢怪异，因此大多数人可能都希望出现另一种结果：我们宇宙的大部分物质是一种不断演变的事物，它甚至比真空能量还要奇怪。如果发现加速的来源是新的能量场或引力的修改，那么后果将是深远的。“这可能会导致我们重新思考引力与粒子物理学如何相互作用，”特罗登说。自从爱因斯坦以来，找到引力的基于粒子的描述就一直困扰着理论物理学家。为了最终做到这一点，我们可能不得不第二次放弃他的宇宙学常数。
本文最初作为自然展望：黑暗宇宙的一部分发表，这是《自然》杂志的增刊。《展望》由 Eisai Inc. 赞助。所有《自然展望》内容在编辑上独立于赞助商，除非明确标记为促销内容。