我们花了这么长时间才发现？直到1998年，天文学家才发现我们一直忽略了宇宙中近四分之三的成分，即所谓的暗能量——一种未知的能量形式，它包围着我们每个人，轻轻地拉扯着我们，掌握着宇宙的命运，但我们几乎完全看不到它。诚然，一些研究人员曾预料到这种能量的存在，但即使是他们也会告诉你，它的发现是20世纪宇宙学中最具革命性的发现之一。暗能量似乎不仅构成了宇宙的大部分，而且如果它能经受住时间的考验，可能还需要发展新的物理学理论。
科学家们才刚刚开始漫长地探索暗能量究竟是什么以及它意味着什么。一个认识已经深入人心：尽管暗能量通过其对整个宇宙的影响暴露了其存在，但它也可能塑造宇宙居民——恒星、星系、星系团——的演化。天文学家可能已经盯着它的杰作看了几十年，却浑然不觉。
具有讽刺意味的是，暗能量的普遍性正是使其难以识别的原因。暗能量不像物质那样，在某些地方比其他地方更密集；就其本质而言，它均匀地分布在各处。无论在何处——无论是在你的厨房还是在星系际空间——它都具有相同的密度，约为 10
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−26 千克每立方米，相当于几把氢原子。我们太阳系中所有暗能量的总量相当于一颗小行星的质量，这使得它在行星的舞蹈中成为一个完全无关紧要的角色。只有在广阔的距离和时间跨度上观察时，它的影响才会显现出来。
自美国天文学家埃德温·哈勃时代以来，观测者就已知道，除了最近的星系外，所有星系都在以惊人的速度远离我们。这个速度与距离成正比：星系越远，后退速度越快。这种模式暗示，星系并非在传统意义上穿过空间移动，而是在空间本身的结构被拉伸时被携带[参见查尔斯·H·林威弗和塔玛拉·M·戴维斯的“关于宇宙大爆炸的误解”；《大众科学》，2005年3月]。几十年来，天文学家一直在努力回答一个显而易见的后续问题：膨胀率如何随时间变化？他们推断，膨胀率应该减慢，因为星系彼此之间施加的向内引力最终应该抵消向外的膨胀。
关于膨胀率变化的第一个明确的观测证据涉及遥远的超新星，即可以用作宇宙膨胀标记的大质量爆炸恒星，就像观察漂流木可以测量河流的速度一样。这些观测清楚地表明，过去的膨胀速度比今天慢，因此正在加速。更具体地说，膨胀速度曾经减慢，但在某个时候经历了转变并开始加速[参见克雷格·J·霍根、罗伯特·P·基尔什纳和尼古拉斯·B·松泽夫的“用超新星测量时空”；《大众科学》，1999年1月，以及亚当·G·里斯和迈克尔·S·特纳的“从减速到加速”；《大众科学》，2004年2月]。这一引人注目的结果后来通过对宇宙微波背景辐射的独立研究进行了交叉验证，例如威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）。
一种可能的结论是，在超星系尺度上适用的引力定律与在较小尺度上适用的引力定律不同，因此星系的引力实际上并不能抵抗膨胀。但更普遍接受的假设是，引力定律是普遍适用的，并且某种形式的能量，以前科学界未知，正在对抗并压倒星系之间的相互吸引力，从而将它们推得越来越远。尽管暗能量在我们星系内（更不用说你的厨房里）微不足道，但它加起来却是宇宙中最强大的力量。
宇宙雕塑家
当天文学家探索这种新现象时，他们发现，除了决定宇宙的整体膨胀率外，暗能量还对较小尺度产生长期影响。当你从整个可观测宇宙放大时，你首先注意到的是，宇宙尺度上的物质以蛛网状模式分布——一个由长达数千万光年的细丝组成的薄纱，其中散布着大小相似的空隙。模拟显示，需要物质和暗能量共同解释这种模式。
不过，这一发现并不令人感到非常惊讶。细丝和空隙不是像行星那样的连贯物体。它们没有脱离整体宇宙膨胀并建立自己的力平衡。相反，它们是由宇宙膨胀（以及任何影响它的现象）和它们自身的引力之间的竞争塑造的特征。在我们的宇宙中，这场拔河比赛中的任何一方都不是绝对占主导地位的。如果暗能量更强，膨胀就会获胜，物质就会分散开来，而不是集中在细丝中。如果暗能量较弱，物质就会比现在更加集中。
当你继续放大并到达星系和星系团的尺度时，情况变得更加复杂。星系，包括我们自己的银河系，不会随着时间推移而膨胀。它们的大小受到引力以及构成它们的恒星、气体和其他物质的角动量之间的平衡控制；它们仅通过从星系际空间吸积新物质或与其他星系合并而增长。宇宙膨胀对它们的影响微不足道。因此，暗能量是否应该对星系的形成产生任何影响，这一点根本不明显。星系团也是如此，星系团是宇宙中最大的连贯天体——由数千个星系组成的集合，嵌入在广阔的热气体云中，并通过引力结合在一起。
然而，现在看来，暗能量可能是星系和星系团形成中几个方面之间的关键联系，而这些方面在不久前似乎还毫不相关。原因是这些系统的形成和演化部分受到星系之间相互作用和合并的驱动，而星系之间的相互作用和合并又可能受到暗能量的强烈驱动。
为了理解暗能量对星系形成的影响，首先考虑天文学家如何看待星系形成。当前的理论基于物质有两种基本类型的观点。首先，是普通物质，其粒子很容易相互作用并与电磁辐射相互作用。天文学家将这种类型的物质称为“重子”物质，指的是其主要成分重子，例如质子和中子。其次，是暗物质（与暗能量不同），它占所有物质的85%，其显著特性是它由不与辐射反应的粒子组成。在引力方面，暗物质的行为与普通物质完全相同。
根据模型，暗物质在大爆炸后立即开始聚集，形成各种形状的团块，天文学家将其称为“晕”。相比之下，重子最初由于它们彼此之间以及与辐射的相互作用而无法聚集。它们保持在热气态阶段。随着宇宙膨胀，这种气体冷却，重子能够聚集在一起。第一批恒星和星系在大爆炸后数亿年内从这种冷却的气体中凝聚出来。它们不是在随机位置物质化的，而是在已经形成的暗物质晕的中心物质化的。
自1980年代以来，许多理论家对这一过程进行了详细的计算机模拟，包括由德国加兴的马克斯·普朗克天体物理研究所的西蒙·D·M·怀特和英国杜伦大学的卡洛斯·S·弗伦克领导的小组。他们已经表明，大多数最早的结构是小的、低质量的暗物质晕。由于早期宇宙非常稠密，这些低质量的晕（以及它们包含的星系）彼此合并，形成更大质量的系统。通过这种方式，星系的构建是一个自下而上的过程，就像用乐高积木建造一个娃娃屋一样。（另一种选择是自上而下的过程，在这种过程中，你从娃娃屋开始，然后将其砸碎以制造积木。）我和我的同事一直在努力通过观察遥远的星系以及它们如何在宇宙时间中合并来检验这些模型。
星系形成逐渐停止
详细研究表明，当一个星系与另一个星系合并时，它会变形。我们能看到的最早的星系存在于宇宙大约十亿岁时，而这些星系中的许多星系确实似乎正在合并。然而，随着时间的推移，大质量星系的融合变得越来越不常见。在大爆炸后的20亿到60亿年之间——也就是说，在宇宙历史的前半段——正在经历合并的大质量星系的比例从一半下降到略低于1%。从那时起，星系形状的分布就被冻结了，这表明撞击和合并变得相对罕见。
事实上，在今天的宇宙中，完全有98%的大质量星系要么是椭圆星系，要么是旋涡星系——这些形状和结构会被合并破坏。这些星系是稳定的，并且主要由老恒星组成，这告诉我们它们一定形成得很早，并且在相当长一段时间内保持着规则的形态。现在有一些星系正在合并，但它们通常质量较低。
虚拟的合并停止并不是宇宙自其当前年龄的一半以来就失去活力的唯一方式。恒星形成也在衰退。今天存在的大多数恒星都诞生于宇宙历史的前半段，正如包括西蒙·J·莉莉（当时在多伦多大学）、皮耶罗·马道（当时在太空望远镜科学研究所）和查尔斯·C·斯泰德尔（加州理工学院）领导的几个团队在1990年代首次令人信服地证明的那样。最近，研究人员已经了解了这种趋势是如何发生的。事实证明，大质量星系中的恒星形成很早就停止了。自从宇宙达到其当前年龄的一半以来，只有轻型系统才继续以显著的速度创造恒星。恒星形成的这种转变被称为星系缩小[参见艾米·J·巴格尔的“宇宙的中年危机”；《大众科学》，2005年1月]。这似乎是自相矛盾的，也是星系外天文学中最大的谜团之一。理论预测，小星系首先形成，并且随着它们的合并，大质量星系出现。然而，恒星形成的历史表明情况恰恰相反：大质量星系最初是主要的恒星诞生地，然后较小的星系接管。
另一个奇怪之处是，在星系中心发现的超大质量黑洞的积累似乎也大大减缓了。这种黑洞为类星体和其他类型的活动星系提供动力，这些星系在现代宇宙中很少见；我们星系和其他星系中的黑洞是静止的。星系演化中的这些趋势是否相关？暗能量真的可能是根本原因吗？
暗能量的稳定控制
一些天文学家提出，星系内部过程，例如黑洞、超新星和恒星风释放的能量，关闭了星系和恒星的形成。但是，暗能量可能已成为更根本的罪魁祸首，它可以将一切联系在一起。核心证据是大多数星系、黑洞和星系团形成的结束与暗能量的主导地位开始之间的时间大致重合。两者都发生在宇宙大约达到其当前年龄的一半时。
这个想法是，在宇宙历史的那个时期之前，物质的密度非常高，以至于星系之间的引力支配了暗能量的影响。星系擦肩而过，彼此相互作用并频繁合并。当星系内的气体云碰撞时，新的恒星形成，当气体被驱动到这些系统的中心时，黑洞增长。随着时间的推移和空间的膨胀，物质变稀，其引力减弱，而暗能量的强度保持不变或增加。两者之间平衡的不可避免的转变最终导致膨胀率从减速转变为加速。星系所在的结构随后被拉开，结果导致星系合并率逐渐降低。同样，星系际气体更难落入星系。由于燃料匮乏，黑洞变得更加静止。
这个序列或许可以解释星系种群的缩小。最大质量的暗物质晕及其嵌入的星系也是最集中的；它们靠近其他大质量晕。因此，它们可能比低质量系统更早撞击它们的邻居。当它们这样做时，它们会经历一次恒星形成爆发。新形成的恒星发光，然后爆炸，加热气体并阻止其塌缩成新的恒星。通过这种方式，恒星形成会自我扼杀：恒星加热了它们从中出现的气体，阻止了新恒星的形成。这种星系中心的黑洞充当了恒星形成的另一个阻尼器。星系合并将气体送入黑洞，导致黑洞喷射出射流，加热系统中的气体并阻止其冷却形成新的恒星。
显然，一旦大质量星系中的恒星形成停止，它就不会再次开始——很可能是因为这些系统中的气体耗尽或变得太热以至于无法足够快地冷却下来。这些大质量星系仍然可以彼此合并，但是由于缺乏冷气体，很少有新的恒星出现。随着大质量星系停滞不前，较小的星系继续合并并形成恒星。结果是，大质量星系在较小的星系之前形成，正如观察到的那样。暗能量可能通过决定星系集群的程度和合并的速率来调节这一过程。
暗能量还可以解释星系团的演化。当宇宙年龄不到现在的一半时发现的古代星系团已经像今天的星系团一样庞大。也就是说，在过去的60亿到80亿年中，星系团的增长量并不大。这种缺乏增长表明，自从宇宙大约达到其当前年龄的一半以来，星系向星系团的下落受到了限制——这直接表明暗能量正在影响星系在大尺度上的相互作用方式。天文学家早在1990年代中期就知道，星系团在过去的80亿年中增长不多，他们将此归因于物质密度低于理论论证预测的密度。暗能量的发现有助于解决观测与理论之间的紧张关系。
暗能量如何改变星系团历史的一个例子是我们附近星系中星系的命运，即所谓的本星系群。几年前，天文学家认为银河系及其最近的大邻居仙女座及其卫星随从最终将坠入附近的室女座星系团。但是，现在看来我们将逃脱那种命运，并且永远不会成为大型星系团的一部分。暗能量将导致我们与室女座星系团之间的距离膨胀速度快于本星系群可以穿过的速度。
通过限制星系团的发展，暗能量还控制着星系团内星系的组成。星系团环境促进了各种星系的形成，例如所谓的透镜星系、巨椭圆星系和矮椭圆星系。通过调节星系加入星系团的能力，暗能量决定了这些星系类型的相对丰度。
这是一个很好的故事，但这是否真实？星系合并、黑洞活动和恒星形成都随着时间推移而减少，并且很可能它们在某种程度上是相关的。但是，天文学家尚未跟踪事件的完整顺序。哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台以及灵敏的地面成像和光谱学进行的持续调查可能会在未来几年内提供答案。一种方法是对遥远的活动星系进行良好的普查，并确定这些星系上次经历合并的时间。分析将需要开发新的理论工具，但应该在不久的将来可以掌握。
取得平衡
一个由暗能量主导的加速膨胀的宇宙是产生星系种群中所有观测到的变化的自然方式——即合并的停止及其许多必然结果，例如剧烈的恒星形成的丧失和星系变态的结束。如果暗能量不存在，星系合并可能会持续比实际更长的时间，并且今天的宇宙将包含更多具有老恒星种群的大质量星系。同样，它将拥有更少的低质量系统，并且像我们银河系这样的旋涡星系将很少见（因为旋涡星系无法在合并过程中幸存下来）。星系的大尺度结构将更加紧密地结合在一起，并且会发生更多的结构合并和吸积。
相反，如果暗能量比现在更强，宇宙的合并会更少，因此大质量星系和星系团也会更少。旋涡星系和低质量矮不规则星系将更加常见，因为在整个时间里发生的星系合并会更少，并且星系团的质量会小得多，甚至可能根本不存在。恒星形成的也可能更少，并且我们宇宙中更高比例的重子质量仍将处于气态。
尽管这些过程可能看起来离我们地球上的生活很遥远，但星系的形成方式对我们自身的存在有影响。恒星是产生比锂更重的元素所必需的，这些元素用于建造类地行星和生命。如果较低的恒星形成率意味着这些元素没有大量形成，那么宇宙将不会有许多行星，生命本身可能永远不会出现。通过这种方式，暗能量可能对宇宙的许多不同且看似不相关的方面产生了深远的影响，甚至可能对我们自己星球的详细历史产生了深远的影响。
暗能量的工作远未完成。它可能看起来对生命有利：加速将防止最终的坍缩，这是不久前天文学家担心的问题。但是暗能量带来了其他风险。至少，它拉开了遥远星系的距离，使它们后退得如此之快，以至于我们永远失去了它们的踪迹。空间正在清空，使我们的星系及其附近的邻居成为一个日益孤立的岛屿。星系团、星系甚至漂浮在星系际空间中的恒星最终将拥有一个有限的引力影响范围，该范围不会比它们自身的个体大小大多少。
更糟糕的是，暗能量可能正在演化。一些模型预测，如果暗能量随着时间的推移变得越来越占主导地位，它将撕裂引力束缚的天体，例如星系团和星系。最终，地球将被从太阳中剥离并撕碎，以及地球上的所有物体。甚至原子也会被摧毁。曾经在物质阴影下铸造的暗能量，将进行最后的报复。