暗能量：我们认为恒定的神秘力量实际上会随着宇宙时间而变化吗？

，当我完成博士学位时。 1992年，宇宙充满了神秘色彩？我们甚至不知道它到底是由什么构成的。有人可能会说，自 20 世纪 60 年代发现宇宙微波背景（CMB）（大爆炸的余辉）以来，宇宙学家在理解这些基本事实方面几乎没有取得任何进展。

博士毕业后，我离开英国，在美国开始了研究生涯，在那里我很幸运地被招募去从事一项名为“斯隆数字巡天 (SDSS)。这项新调查拥抱了数字技术的进步，旨在测量一百万个星系的“红移”（如果光源似乎远离你，光如何变得更红）。

这些红移随后被用来测量距离，并使宇宙学家能够绘制宇宙的三维结构图。

20 世纪 80 年代的一个宇宙谜题，基于开创性的CfA 红移调查玛格丽特·盖勒（Margaret Geller）和约翰·胡奇拉（John Huchra）提出的观点是，在我们的宇宙附近，星系的显着块状，因此也是物质。星系在各种尺度上聚集在一起，有证据表明星系的相干“超星系团”长度跨越3000万光年。

重要的是要知道这样的超星团是如何从光滑的宇宙微波背景中形成的，因为它可以告诉我们宇宙中物质的总量，更有趣的是，这些物质是由什么构成的。这是假设唯一起作用的力是重力。

到 SDSS 第一阶段结束时，我们已经实现了 100 万次红移的目标。这些数据被用来发现宇宙中的许多超星系团，包括令人惊叹的“斯隆长城”，它仍然是宇宙中已知最大的相干结构之一，长度超过十亿光年。

我很幸运能够经历世纪之交这个令人惊叹的宇宙发现时代。像SDSS这样的调查，结合对CMB的新观测以及对被称为Ia型超新星（SNeIa）的遥远爆炸恒星的搜索，恰巧对“宇宙是由什么组成的？”这个问题给出了明确的答案。

暗能量的发现

从 1999 年到 2004 年，宇宙学界一致认为宇宙中 5% 是正常（重子）物质，25%（未知、看不见的物质），以及70%”“（膨胀力）？本质上是一个宇宙常数，这是爱因斯坦首先提出的。宇宙是由这种恒定能量主宰的发现震惊了所有人，特别是爱因斯坦称宇宙常数是他的“最大的错误”。

今天，宇宙学家仍然认为这是我们宇宙最有可能的构成。但是像我这样的观测宇宙学家已经大大改进了我们对这些宇宙变量的测量，减少了这些量的误差。

最新数字来自暗能量勘测 (DES)表明宇宙的31.5%是物质（暗能量和正常能量的组合），其余部分是假设宇宙常数的暗能量。该测量的误差仅为 3%。

更精确地了解这些数字将有望帮助宇宙学家理解宇宙为何如此。为什么我们期望今天的宇宙 70% 是“黑暗的”（无法通过电磁辐射看到）并且不像宇宙中的其他一切一样与“物质”相关？

即使经过 20 年的深入研究，这种暗能量的起源仍然是物理学面临的最大挑战。

有趣的测量

和我一样，一些宇宙学家在过去二十年里也被其他问题分散了注意力。然而，2024 年可能是一个新发现时代的开始。今年，宇宙学家根据我们最好的两个宇宙学探测器发表了新结果。

第一个探测器由被称为“SNeIa”的爆炸恒星组成。由于这些恒星的质量范围很窄，它们的爆炸可以很好地校准，从而为宇宙学家提供了可以在很远的地方看到的可预测的亮度。通过将这些超新星的已知亮度与其红移进行比较，我们可以确定宇宙的膨胀历史。事实上，这些物体对于发现宇宙的扩张至关重要我们的宇宙正在加速。

第二个探针的工作原理是查看重子声振荡 (BAO)?在宇宙微波背景之前的早期宇宙的等离子体（带电气体）中可预测的声波遗迹。这些现在被冻结在我们周围星系的大尺度结构中。与 SNeIa 一样，它们的可预测大小可以与今天观测到的大小进行比较，以测量宇宙的膨胀历史。

最近，DES 报告了其十多年来工作的最终 SNeIa 结果，检测并描述了数千个超新星事件。虽然这些 SNeIa 结果与宇宙由宇宙学常数主导的正统观点相一致，但它们确实为新物理学的诱人可能性留下了余地——即暗能量可以是随宇宙时间而变化。

也就是说，科学家们被训练得持怀疑态度，并且有很多理由不信任单个实验、单个观察，甚至单个宇宙学家！

现在，宇宙学家在数据分析过程中不遗余力地“蒙蔽”他们的结果，只在最后一刻才揭示答案。这样做是为了避免无意识的人类偏见影响工作，这可能会鼓励人们得到他们认为应该看到的答案。

这就是为什么结果的可重复性是所有科学的核心。在宇宙学中，我们珍视多次实验的必要性，相互检验和挑战。

第二个引人注目的结果是来自暗能量光谱仪（DESI），SDSS 的后继者。第一张 DESI 宇宙图比原始 SDSS 更深、更密。其第一个 BAO 结果有趣的是？数据本身仍然与宇宙学常数一致，但与其他数据源结合时，暗示可能存在随时间变化的暗能量。

特别是，当 DESI 分析其 BAO 结果与最终 DES SNeIa 数据的组合时，随时间变化的暗能量的显着性增加到 3.9 sigma（衡量假设成立时一组数据有多不寻常的衡量标准）？统计上的侥幸概率只有 0.6%。

我们大多数人都会接受这样的赔率，但科学家们以前也曾因数据中模仿这种统计确定性的系统性错误而受到伤害。因此，粒子物理学家要求新物理学的任何主张都采用 5 西格玛的发现标准，或者说错误的可能性低于百万分之一！

正如科学家所说，“非凡的主张需要非凡的证据。”

令人难以置信的影响

我们正在进入宇宙学发现的新时代吗？如果是这样，这意味着什么？

我的第一个问题的答案可能是肯定的。未来几年对于宇宙学家来说将是有趣的，因为欧洲航天局的新数据和结果欧几里得使命。它于去年发射，已经能够以前所未有的精度扫描天空。

同样，DESI 将获得更多更好的数据，而欧洲南方天文台开始自己的大规模红移调查2025 年。然后智利的鲁宾天文台很快就会上线。结合这些数据集应该毫无疑问地证明暗能量是否随宇宙时间而变化。

如果确实如此，则意味着现在的暗能量比过去少。这可能是由许多因素引起的，但有趣的是，它可能意味着宇宙膨胀当前加速阶段的结束。

这也意味着暗能量可能不是被认为是由于与真空相关的背景能量。根据，真空并不是真正空的，粒子的存在和消失创造了我们所说的“真空能量”。讽刺的是，对这种真空能量的预测与我们的宇宙学观测结果相差很多数量级。

因此，如果我们确实发现暗能量随时间变化，它可能会解释为什么观察结果与量子力学不一致，而量子力学是一个经过充分检验的理论。这表明宇宙学标准模型中暗能量恒定的假设需要重新思考。这样的认识可能有助于解决有关宇宙的其他谜团，或者提出新的谜团。

简而言之，本十年即将到来的新宇宙学观测将激发物理思维的新时代。恭喜我的小弟: 这是你玩得开心的时代。

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