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遗漏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，它包围着我们每一个人，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主体，而且如果它经受住时间的考验，它的存在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的过程，弄清楚暗能量是什么以及它有什么影响。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，而没有意识到它。
具有讽刺意味的是，暗能量的普遍存在正是使其难以识别的原因。与物质不同，暗能量不会在某些地方比其他地方更密集地聚集；就其本质而言，它均匀地分布在各处。无论位置在哪里——无论是在您的厨房还是在星系际空间——它都具有相同的密度，约为每立方米 10-26 千克，相当于少数氢原子。我们太阳系中所有暗能量的总量相当于一个小行星的质量，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。
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自美国天文学家埃德温·哈勃时代以来，观测者就知道，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。这种模式暗示星系不是在传统意义上穿过空间移动，而是在空间本身被拉伸时被携带 [参见查尔斯·H·莱恩威弗和塔玛拉·M·戴维斯的《关于大爆炸的误解》；《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？他们推断它应该正在减速，因为星系彼此施加的向内引力应该会抵消向外的膨胀。
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，就像观察漂流木让您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，它一直在减速，但在某个时刻经历了转变并开始加速 [参见克雷格·J·霍根、罗伯特·P·基什纳和尼古拉斯·B·桑泽夫的《用超新星勘测时空》；《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例如威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 对宇宙微波背景辐射的独立研究进行了交叉验证。
暗能量可能是曾经看似无关的星系形成的几个方面之间的关键联系。
一种可能的结论是，引力在超星系尺度上适用的定律与在较小尺度上适用的定律不同，因此星系的引力实际上并没有抵抗膨胀。但更普遍接受的假设是，引力定律是普遍适用的，并且某种以前不为科学界所知的能量反对并压倒了星系之间的相互吸引力，使它们越来越快地分离。尽管暗能量在我们星系（更不用说您的厨房）中微不足道，但它加起来却是宇宙中最强大的力量。
宇宙雕塑家
随着天文学家探索这种新现象，他们发现，除了决定宇宙的整体膨胀率外，暗能量还对较小的尺度产生长期影响。当您从整个可观测宇宙放大时，您首先注意到的是，宇宙尺度上的物质以蛛网状模式分布——由丝状物组成的薄纱，长达数千万光年，其中散布着大小相似的空隙。模拟显示，需要物质和暗能量才能解释这种模式。
然而，这一发现并不令人非常惊讶。丝状物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，也没有建立起自身内部的力平衡。相反，它们是由宇宙膨胀（以及任何影响它的现象）和自身引力之间的竞争塑造的特征。在我们的宇宙中，这场拔河比赛中的两个参与者都没有绝对的优势。如果暗能量更强，膨胀就会获胜，物质就会分散开来，而不是集中在丝状物中。如果暗能量较弱，物质就会比现在更集中。
当您继续放大并达到星系和星系团的尺度时，情况变得更加复杂。包括我们银河系在内的星系不会随着时间推移而膨胀。它们的大小受重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；它们仅通过吸收来自星系际空间的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——数千个星系聚集在一起，嵌入广阔的热气体云中，并由引力束缚在一起。
然而，现在看来，暗能量可能是曾经看似无关的星系和星团形成的几个方面之间的关键联系。原因是这些系统的形成和演化部分是由星系之间的相互作用和合并驱动的，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的形成。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，如果带电，则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，即重子，如质子和中子。其次是暗物质（与暗能量不同），它构成了所有物质的 85%，其显著特性是它包含不与辐射反应的粒子。在引力上，暗物质的行为就像普通物质一样。
根据模型，暗物质在大爆炸后立即开始聚集，形成天文学家称为“晕”的球形团块。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。它们仍然处于热气体状态。随着宇宙的膨胀，这种气体冷却下来，重子能够将它们自己聚集在一起。第一批恒星和星系在大爆炸后数亿年从这种冷却的气体中凝聚出来。它们并没有在随机位置显现，而是在已经形成的暗物质晕的中心显现。
自 20 世纪 80 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，包括由德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所的西蒙·D·M·怀特和英国达勒姆大学的卡洛斯·S·弗伦克领导的小组。他们已经表明，大多数早期结构都是小的、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，您从娃娃屋开始，然后将其砸碎以制作积木。）我的同事和我试图通过观察遥远的星系以及它们在宇宙时间中的合并方式来检验这些模型。
星系形成逐渐衰退
详细的研究表明，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，而其中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 20 亿年至 60 亿年之间——也就是在宇宙历史的前半部分——正在经历合并的大质量星系的比例从一半下降到几乎完全没有。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% 的大质量星系是椭圆星系或螺旋星系，它们的形状会被合并破坏。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很早就形成了，并且在相当长一段时间内保持着规则的形态。今天有一些星系正在合并，但它们通常质量较低。
合并的实际停止并不是宇宙自其当前年龄的一半以来就耗尽能量的唯一方式。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部分，正如 20 世纪 90 年代的几个团队首次令人信服地表明的那样，包括由当时的加拿大多伦多大学的西蒙·J·莉莉、当时的太空望远镜科学研究所的皮耶罗·马达乌和加州理工学院的查尔斯·C·斯泰德尔领导的团队。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。自从宇宙达到当前年龄的一半以来，只有轻量级系统继续以显着的速度创造恒星。恒星形成场所的这种转变被称为星系规模缩小 [参见艾米·J·巴杰的《宇宙的中年危机》；《大众科学》，2005 年 1 月]。这似乎是矛盾的。星系形成理论预测，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。
宇宙自其当前年龄的一半以来就耗尽了能量。合并已经停止，黑洞也变得静止。
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已大大放缓。这些黑洞为类星体和其他类型的活动星系提供动力，这些活动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。星系演化的这些趋势之间有关联吗？暗能量真的是根本原因吗？
暗能量的稳定控制
一些天文学家提出，星系内部过程，如黑洞和超新星释放的能量，关闭了星系和恒星的形成。但暗能量已经成为可能更根本的罪魁祸首，它可以将一切联系在一起。最核心的证据是大多数星系和星团形成结束与暗能量支配地位开始之间的时间大致重合。两者都发生在宇宙大约是当前年龄的一半时。
其思想是，在宇宙历史的那个时刻之前，物质的密度非常高，以至于星系之间的引力超过了暗能量的影响。星系摩肩接踵，相互作用，并经常合并。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，物质变得稀薄，其引力减弱，而暗能量的强度保持不变（或接近不变）。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，导致星系合并率逐渐降低。同样，星系际气体也更难落入星系。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规模缩小。最大质量的暗物质晕及其嵌入的星系也是最聚集的；它们与其他大质量晕非常接近。因此，它们可能比低质量系统更早地撞击它们的邻居。当它们这样做时，它们会经历恒星形成的爆发。新形成的恒星发光，然后爆炸，加热气体并阻止其坍缩成新的恒星。这样，恒星形成就会自我扼杀：恒星加热了它们从中出现的气体，阻止了新恒星的形成。位于这种星系中心的黑洞充当了恒星形成的另一个阻尼器。星系合并将气体注入黑洞，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——最有可能的原因是这些系统中的气体变得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，但由于缺乏冷气体，很少有新恒星出现。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，正如观察到的那样，大质量星系在较小的星系之前形成。暗能量可能通过决定星系聚集的程度和合并率来调节这个过程。
暗能量还可以解释星系团的演化。在宇宙年龄不到当前年龄一半时发现的古代星团，已经像今天的星团一样巨大。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，自从宇宙大约是当前年龄的一半以来，星系落入星系团的现象已经减少——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。早在 20 世纪 90 年代中期，天文学家就知道星系团在过去 80 亿年中没有增长多少，他们将此归因于物质密度低于理论论证预测的密度。暗能量的发现解决了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在附近区域的星系的命运，即所谓的本星系群。就在几年前，天文学家还认为银河系和仙女座星系（它最近的大邻居）及其卫星群将落入附近的室女座星系团。但现在看来，我们将逃脱这种命运，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越它的速度。
通过抑制星团的发展，暗能量还控制着星团内星系的组成。星团环境促进了各种星系的形成，例如所谓的透镜星系、巨型椭圆星系和矮椭圆星系。通过调节星系加入星团的能力，暗能量决定了这些星系类型的相对丰度。
空间正在空虚，使我们的银河系及其邻居成为一个日益孤立的岛屿。
这是一个好故事，但它是真的吗？星系合并、黑洞活动和恒星形成都在随着时间推移而减少，而且很可能它们在某种程度上是相关的。但天文学家尚未追踪到事件的完整序列。正在进行的哈勃太空望远镜、钱德拉 X 射线天文台以及灵敏的地面成像和光谱学调查将在未来几年仔细研究这些联系。一种方法是获得遥远活动星系的良好普查，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，但在未来几年内应该可以掌握。
取得平衡
一个由暗能量主导的加速宇宙是产生星系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更长时间，而今天的宇宙将包含更多具有老恒星群的大质量星系。同样，它的低质量系统会更少，而像我们银河系这样的螺旋星系将很少见（考虑到螺旋星系无法在合并过程中幸存下来）。星系的大尺度结构会更紧密地结合在一起，并且会发生更多的结构合并和吸积。
相反，如果暗能量甚至比现在更强，宇宙的合并就会更少，因此大质量星系和星系团也会更少。螺旋星系和低质量矮不规则星系会更常见，因为在整个时间里发生的星系合并会更少，而星系团的质量会小得多，甚至可能根本不存在。恒星的形成也可能更少，并且我们宇宙中更高比例的重子质量仍将处于气体状态。
尽管这些过程可能看起来很遥远，但星系的形成方式对我们自身的生存有影响。恒星是产生比锂更重的元素所必需的，这些元素用于构建类地行星和生命。如果较低的恒星形成率意味着这些元素没有大量形成，宇宙就不会有许多行星，而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无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。
暗能量绝没有完成它的工作。它可能看起来对生命有利：加速将阻止最终的坍缩，这在不久前还是天文学家担心的问题。但暗能量带来了其他风险。至少，它会拉开遥远的星系，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。空间正在空虚，使我们的星系及其附近的星系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有限的引力影响范围，其范围不会比它们自身的个体大小大多少。
更糟糕的是，暗能量可能会演化。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物体，如星系团和星系。最终，地球将被从太阳中剥离并撕碎，地球上的所有物体也将被撕碎。甚至原子也将被摧毁。曾经被物质阴影笼罩的暗能量将最终完成它的复仇。