宇宙行为失常。
在大爆炸中诞生后，大约140亿年前，宇宙开始膨胀。在20世纪的大部分时间里，科学家们认为引力会逐渐减缓这种膨胀，宇宙中所有的物质都起到阻力的作用。
但20世纪90年代后期的观测表明，事实远非如此。使用一种特殊的爆炸恒星——Ia型超新星对宇宙距离进行精确估计后显示，与所有预期相反，宇宙的膨胀实际上正在加速。这类似于在宇宙尺度上，将一个球抛到头顶，却看到它以越来越快的速度飞走，而不是掉下来。 “为什么”会发生这种情况仍然是物理学中最紧迫的谜团之一。
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澳大利亚昆士兰大学的天体物理学家塔玛拉·戴维斯说：“理论家们正在尽情发挥。” “关于是什么驱动宇宙加速，有成百上千种理论。”
科学家们通常将罪魁祸首称为暗能量，但没有人知道它是什么。然而，它的行为可能为了解其身份提供有力的线索：如果暗能量的加速膨胀效应随着时间的推移保持稳定，这将非常符合所谓的宇宙学标准模型，这是科学家们迄今为止设计的对宇宙演化的最佳总体解释。问题是，没有人能够确定暗能量是否真的如此固定——如果暗能量的强度可以随时间变化，那么将此与物理学的其他部分协调起来可能需要重新思考我们对引力的理解。
这个问题促使包括戴维斯在内的400多名国际科学家组成的小组，大约在十年前开始合作进行一项名为暗能量巡天（DES）的观测计划。研究人员建造了一个特殊的相机，与位于智利托洛洛山美洲际天文台的维克托·M·布兰科望远镜一起使用，并且他们在月初举行的美国天文学会年会上报告了他们雄心勃勃的努力的最新、最权威的结果。该小组还在预印本服务器arXiv.org上发布了他们的发现。
五年来的每个夜晚，该团队都在寻找最初导致暗能量发现的同类超新星。 Ia型超新星发生时都会释放大致相同的光量，这使它们成为计算宇宙距离的方便“标尺”。天文学家可以通过测量Ia型超新星的亮度来判断它有多远。将该距离与对超新星远离地球的速度的单独测量相结合，可以揭示宇宙在发生恒星灾变时膨胀的速度。第二种测量方法涉及检查超新星的光谱——将其光分解成组成颜色，并观察光波长因宇宙膨胀而被拉伸而变红的程度。物体的“红移”越高，该物体远离我们的速度就越快。
大约50颗超新星，大多数红移较低且来自相对较近的宇宙，构成了1998年发现暗能量的基础。然而，要探测暗能量是否以及如何在漫长的时间里发生变化，需要确定来自更大范围时空中的超新星的距离和速度。戴维斯说，借助DES，“我们想看看暗能量在整个宇宙历史中是否一直相同，而做到这一点的唯一方法是了解它在过去是什么样子。” 最终，该项目发现并研究了1500多个明显的恒星爆炸，其中许多爆炸来自遥远宇宙深处，具有高红移。
新分析，同样令人困惑的结果
杜克大学宇宙学家和DES合作者玛丽亚·文森齐说：“为了发现新的Ia型超新星，我们必须玩‘找出照片差异’的游戏，”她共同领导了该小组的超新星宇宙学工作。“你查看一夜又一夜的图像，看看是否看到有什么东西突然出现。”
DES研究人员必须筛选出他们识别出的约19,000个“爆发点”，以寻找正确的类型。为了梳理如此庞大的数据集，该团队开发了新的机器学习技术，使该过程速度提高了约100倍。
但即使这样也不够：虽然聪明的自动化节省了初始候选对象的选择时间，但确定每个候选对象的红移通常需要获得更多数据。这可能是一项紧急而令人担忧的任务，因为收集超新星的诊断光谱必须在其光线褪去之前进行，并且需要在大型望远镜上获得大量竞争激烈的观测时间。戴维斯说：“拍摄一张超新星的照片只需要大约五分钟，而获得其光谱则需要几个小时。”
DES团队的解决方案是使用在澳大利亚库纳巴拉布兰的英澳望远镜上的专用时间，测量每个计算机标记的候选对象假定的宿主星系的红移，而不是候选对象本身的红移。戴维斯说：“因此，您可以坐下来放松身心，并在您喜欢的任何时候悠闲地获取光谱，因为您不必急于捕捉超新星的光线。”
从这项有史以来规模最大、最好的遥远超新星巡天中，他们发现了什么？
约翰·霍普金斯大学的宇宙学家查尔斯·贝内特说：“DES论文探讨了是否迫切需要在[标准]宇宙学模型中增加复杂性，并发现答案是否定的。” 贝内特没有参与DES。“这并不意味着自然不会更复杂，而是我们没有足够令人信服的证据来证明更复杂的模型。”
然而，正如文森齐指出的那样，“结果实际上介于支持标准模型和暗示宇宙加速随时间推移并非恒定之间。”
从本质上讲，该团队使用了更多更好的数据，得出了与最初激发其探索的相同的令人烦恼的结论。尽管是迄今为止基于超新星的对暗能量的最佳估计，但DES的结果几乎不可思议地位于确定性仍然难以捉摸的缩小的模糊空间中。因此，即使到现在，也没有人能说我们的万有引力定律是否需要修改。
通往启蒙之路
DES团队开发的许多相同的机器学习技术可以在未来几年应用于更大的数据集，这将对暗能量进行更严格的测试。智利的薇拉·C·鲁宾天文台等设施可能会发现数百万颗新的Ia型超新星，而不是数百或数千颗，这将需要更有效的方法来解析所有这些数据。
戴维斯说：“不可能跟踪每一颗超新星的实况；世界上根本没有足够的望远镜资源。”
天文学家还将使用美国宇航局即将发射的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜等天文台，通过研究超新星并采取一系列其他方法，来探测宇宙更早的膨胀历史。
加州理工学院红外处理与分析中心的高级研究科学家和暗能量专家王云（Yun Wang）说：“我们必须非常详细地测量宇宙的膨胀历史和结构增长，才能了解暗能量的性质以及对爱因斯坦引力理论的潜在修改。” 王云没有参与DES。 事实上，各种遥远观测的早期结果已经发现了一个可能的暗示，即暗能量在某种程度上比宇宙学家长期以来假设的简单常数更复杂。 王云说，这是一个“被称为哈勃张力的问题”。 “测量宇宙当前膨胀的不同方法给出了非常不同的答案。 修改我们的万有引力定律可能是解决这种张力的一个可能方案，这也可能是暗能量的起源。” 找出奇怪的当前宇宙膨胀率测量结果不一致的原因，DES分析并未解决这个问题，这可能会为暗能量之谜提供线索。
贝内特说：“我发现非常奇怪的是，标准模型运作得如此出色，并且仅用几个参数就能解释各种精确的数据，但也只有一个失败领域。” 他指出，许多尝试调整标准模型以使其解决哈勃张力的尝试最终违反了其他物理定律，而这些物理定律得到了观测的充分支持。 “在不影响多个可测量属性的情况下改变宇宙模型是很困难的。”
王云说：“目前，暗能量之谜仍然存在，宇宙的最终命运悬而未决。” 如果宇宙加速具有恒定的强度，宇宙将永远膨胀；它的命运已定。但是，如果暗能量可以随时间变化，那将开启一个充满其他可能性的宇宙。 “对我而言，这是当今物理学和天文学中最令人兴奋的问题。”