暗能量什麼樣愛因斯坦說對了嗎

宇宙加速膨脹的幕後「推手」

當愛因斯坦寫下著名的廣義相對論方程，天才的大腦馬上意識到，在他的理論中，宇宙的時空有兩種歸宿，其中一種是收縮、坍塌。愛因斯坦當然無法接受宇宙這種自我毀滅的命運，於是，他試圖修改他的方程，以使得宇宙時空保持靜態。為此，他在方程裡加入了一項「宇宙學常數」。

簡言之，宇宙學常數，即真空能，可以提供一種有效斥力，用於抵消引力作用，防止宇宙坍塌。

然而，命運與愛因斯坦開了乙個不大不小的玩笑。2023年，美國科學家哈勃通過觀測發現，宇宙並非靜止，而是在膨脹！這正是最初的廣義相對論方程描述的另一種宇宙歸宿。

愛因斯坦當時鬱悶的心情可以想象。他對於自己引入宇宙學常數這種畫蛇添足的行為萬分懊惱，認為這是他「一生中最大的失誤」。

令愛因斯坦更加沒有想到的是，宇宙不僅膨脹，而且是加速膨脹！2023年，世界上兩個超新星研究小組獨立發現了宇宙的加速膨脹現象，並因此分享了2023年的諾貝爾獎。而愛因斯坦的宇宙學常數可以提供等效斥力，剛好可以使得宇宙加速膨脹。

這個發現足以讓愛因斯坦欣慰了，但這時已經距離這位偉人去世43年了！

宇宙加速膨脹背後的物理機制是當代科學最大的未解之謎之一。觀測研究發現，宇宙中的物質（包括暗物質和普通物質）大概只佔宇宙總能量組成的三分之一，而另外三分之二完全未知，因此被稱為「暗能量」。作為推動宇宙加速膨脹的神秘力量，暗能量本質之謎至今尚未被揭開。

暗能量是靜態的嗎

暗能量的本質雖目前未知，但通過天文觀測，我們得知了暗能量一些奇特的性質。比如，暗能量具有壓強，並且是負壓強。這一點非常匪夷所思。

普通流體的壓強都為正值。這意味著當流體被壓縮或拉伸時，壓強會產生相反的作用力。而負壓流體在被拉伸時，壓強反而推動流體進一步被拉伸。

有趣的是，真空即具有負壓的性質。這是由於真空無法被稀釋，當其體積被拉伸時，真空內能反而增大，會繼續推動其體積被拉伸。因此，在巨集觀上，真空能，即愛因斯坦的宇宙學常數，可以作為暗能量的候選者之一。

但在微觀上，真空能作為暗能量卻存在精細調節等一系列嚴重的理論問題。科學家們一直努力建立新的暗能量理論模型，並接受天文觀測的檢驗。

在觀測方面，科學家可以綜合使用多種手段探測暗能量，比如觀測超新星、宇宙微波背景輻射、星系在宇宙中分布的成團性等。破解暗能量的密碼在於觀測暗能量狀態方程w這個物理量，即暗能量壓強與其能量密度的比值。對於真空能來說，其w恆等於-1，而其他暗能量模型則預言w隨時間演化。

近期，筆者與20餘位國際合作者一起，對大量星系利用類似「人口普查」的方法，測定了宇宙在不同時期的膨脹速率。進而結合其他型別的最新天文觀測資料，重建了暗能量狀態方程從大約100億光年前到目前的演化歷史。該研究發現，w並非常數，而是隨時間演化，並圍繞-1振盪。

這與我國科學家張新民團隊2023年提出的「精靈」暗能量模型的預言相一致。這個結果意味著暗能量的本質有可能不是真空能，而是具有動力學性質的某種未知的能量場。

未來5—10年內，國際大型星系巡天專案eboss、desi等都將完成觀測。這些「超級天眼」將通過對2000萬顆以上星系進行觀測，並繪製宇宙的三維影象。這些資料將幫助科學家準確測量宇宙時空的膨脹，以及宇宙大尺度結構的形成歷史，將在更高的精度驗證暗能量動力學性質，揭開暗能量本質的神秘面紗。

（作者：中科院國家天文台研究員趙公博，助理研究員王鈺婷、學生張翰宇）