[비즈한국] 宇宙正在膨胀。自138亿年前大爆炸开启宇宙以来，这一现实持续至今。但这并不是故事的全部。对于宇宙膨胀的速度以及具体方式，我们至今仍未找到标准答案。更准确地说，随着我们对宇宙探索的深入，问题反而变得愈发复杂。
当代天文学家推测，宇宙大约从70亿年前开始，膨胀速度真正地加快了。为了解释这种宇宙的加速膨胀，人们只能假设宇宙中充满了某种名为“暗能量”的未知能量。
尽管至今无人知晓暗能量的真面目，但过去近20年间，学术界达成了一个重要的共识：即从宇宙诞生之初到今天，暗能量的密度始终保持恒定。人们推测，与随着宇宙膨胀、体积增加而迅速稀释的暗物质和光不同，暗能量一直维持着均匀的密度。仿佛随着宇宙体积的增加，暗能量的总量也在相应增加。只有这样，我们才能解释宇宙那不断加速的膨胀。
然而，最近这一信念开始动摇了。或许暗能量随着时间的推移正在逐渐减少。因为宇宙看起来正从曾经强力踩下加速踏板的状态，缓缓地移开脚步。虽然它仍在踩着油门，膨胀仍在加速，但这意指加速的幅度似乎正在逐渐放缓。或许，宇宙的“时间”本身就是随着时间推移而呈现出不同的演化方式。
许多人误以为暗能量是一个突然出现的概念，认为是在1998年通过超新星观测，才产生了“宇宙加速膨胀”和“暗能量”这一全新概念。但这是一个明显的误解。早在更久之前，就有学者提出宇宙中必须存在某种能够抵消重力的、类似于负压的能量。
爱因斯坦早年曾感到不安，因为他的方程式指向一个会因自身重力而坍缩的宇宙。为了让宇宙能够维持而不坍缩，他随意增加了一个抵御重力的项。追究起来，这并没有物理学依据，只是出于他个人偏好的添加项。这就是所谓的“宇宙常数”，用希腊字母Lambda（Λ）表示。正如“常数”这一名称所示，人们认为这种对抗重力的存在，从过去到现在，其值一直保持不变。
后来，随着基于计算机的宇宙学模拟成为可能，人们愈发坚信爱因斯坦的这种“权宜之计”是非常必要的措施。实际上，如果不应用爱因斯坦的宇宙常数（Lambda），模拟中的宇宙就无法承受自身重力，会迅速坍缩。
1995年，就在超新星观测结果发表前夕，天文学家杰里迈亚·奥斯特里克（Jeremiah Ostriker）在《自然》杂志发表论文，确立了宇宙常数不为零的宇宙模型，主张为了实现真实宇宙的样子，未知的Lambda是必不可少的。像这样，理论天体物理学家们早已迫切需要Lambda。没过多久，观测天文学家通过超新星观测，捕捉到了Lambda在真实宇宙中起作用的迹象。
尽管基于区区40多颗超新星的观测存在很大误差，但这一发现之所以能被迅速接受，是因为这正是所有人期待已久的答案。暗能量和Lambda这一概念，绝非一夜之间凭空冒出来的。这是在长期期盼下，宇宙最终给予我们的回应，即“宇宙加速膨胀”与“暗能量”的发现。
由暗能量、Lambda以及仅对重力产生反应的冷暗物质所组成的宇宙，即目前的标准宇宙学模型，被称为ΛCDM（Lambda-CDM）模型。虽然它非常出色地解释了宇宙，但我们不得不承认，目前仍不知道Lambda究竟是什么。为了更深入地窥探暗能量的秘密，天文学家们正在进行专门针对暗能量的全新观测项目。该项目从名字就包含了暗能量，即“暗能量光谱仪（Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI）”。它利用位于美国亚利桑那州基特峰国家天文台的4米望远镜，绘制整个宇宙的星系地图。
最近，DESI团队公开了迄今为止观测到的多达1870万个天体的图像和光谱数据。其中，我们银河系的恒星只有400万颗。其余包括1300万个处于银河系之外的星系，甚至还包括160万个在宇宙尽头喷发出明亮闪光的类星体。这仅仅是未来将要完成的DESI观测任务中的极小一部分。未来将有更庞大的数据涌现。
为了确认宇宙是否从过去到现在一直以同样的力度踩着加速踏板，我们需要观察宇宙的膨胀率从遥远的过去至今发生了怎样的变化。为此，必须精确测量到遥远星系的距离。通常利用造父变星或超新星，但这对于像DESI这样的大规模观测并不适用。造父变星毕竟是普通的恒星，只要距离稍微变远，就很难一一辨认。超新星虽然明亮，但无法预测何时何地会爆发，纯粹是靠“运气”。因此，DESI采用了另一种稍微陌生一点的距离测量工具。
宇宙诞生之初处于高温等离子体状态。光与粒子混合在一起。在密密麻麻阻挡路径的高密度粒子汤中，光无法自由穿梭。同时，这一时期的宇宙受量子力学支配。各处随机产生高低起伏的密度波动。密度较高的区域以稍强的重力吸引周围物质，同时由于温度升高，光压将物质向外推开。在重力和光压互相抗衡的过程中，形成了类似于声音的压力波并向四面八方扩散。以宇宙各处密度略高、密度波动的峰值为中心，这种“宇宙声波”传播开来。
随着宇宙逐渐膨胀，温度降低，炽热的粒子重新结合为电子和原子，宇宙变得清澈。光得以穿过粒子间的缝隙自由传播，光压也不再在粒子上留下波纹。直到那一刻为止传播的初期密度波动的声波，被完整地镌刻在宇宙中。此时形成的最初振动在早期宇宙的物质分布中留下了痕迹，并以那些圆形扩散形成的密度较高区域为中心，诞生了新的星系。
最初的振动大小是特定的。考虑到膨胀至今的宇宙规模，振动大约扩散到了半径4.9亿光年的范围。令人惊奇的是，如果绘制今天真实宇宙中的星系地图，会发现两个星系之间距离4.9亿光年的情况，在统计学上比假设星系随机分布的情况更为常见。这清晰地表明，宇宙初期光与物质缠绕在一起，在特定时间点分离时，在宇宙中留下了特定大小的烙印。这种在初期宇宙像声波一样扩散并留下的振动痕迹，被称为重子声波振动（Baryon Acoustic Oscillation, BAO）。
正如前面所述，BAO被限定在特定的尺度上。它成为一种已知精确距离的“标准尺度”。以分布在遥远宇宙中的星系为对象，统计对比各星系间的距离间隔，就可以测出该处的BAO尺度。我们已经知道实际的BAO尺度，因此通过对比，就可以得知星系距离我们有多远。进而通过比较它们的距离和远离我们的速度，自然就能得出遥远过去的宇宙膨胀率。
但这仅靠此还有局限性。因此，DESI团队在其中添加了反映宇宙演化的多种约束条件。例如，同时应用了大爆炸核合成等能体现早期宇宙元素比例的条件。通过这些，DESI团队推测宇宙膨胀率的哈勃常数约为68.5±6。这与基于遍布宇宙的大爆炸余热——宇宙微波背景辐射推测出的67.4±0.5非常接近。至今，通过星系退行现象和宇宙微波背景辐射两种方式推测的哈勃常数差异巨大，令天文学家困扰的“哈勃张力”难题，终于让人看到了解决的希望。
然而，真正的问题才刚刚开始。随着DESI数据中应用了更多样化的约束条件，结果越来越偏离现有的ΛCDM模型。最终，天文学家们采取了大胆的尝试——应用了一个名为CPL（Chevallier–Polarski–Linder）模型的新模型。不再使用始终保持恒定的Lambda（宇宙常数），而是引入了随时间演化的暗能量。这意味着在宇宙状态方程中应用的暗能量变量w不再是一个始终为-1的恒定值，而是存在变化率。
如果现有的标准模型是正确的，且暗能量始终恒定，那么w应当为-1，其变化率wₐ应当为0。然而，如果将宇宙微波背景辐射、超新星等标准烛光数据综合应用于DESI数据，w收敛于-0.75。在统计学上，这一结果达到了4.2个西格玛（σ）。这意味着该结果仅仅是统计学偶然的可能性只有0.1%左右。通常在科学界，超过3个西格玛即被认为是有必要关注的显著信号。当然，虽然还未达到科学界“确凿证据”标准的5个西格玛，但这显然暗示着我们的宇宙和我们的宇宙观正在发生变化。
因此，最近一些天文学家主张抛弃将Lambda固定为常数的现有ΛCDM模型，转向新的模型。该模型被称为w₀wₐ-CDM模型。其中w₀代表现在的w，wₐ代表其变化率。换句话说，为了描述过去特定时间的w，不能简单地假设它与现在的w相同，而必须乘以期间的变化率，来推算过去w值究竟是大是小。
DESI团队的最新成果从根本上扭转了我们对宇宙终结的看法。根据认为暗能量会持续存在的现有模型，宇宙的加速膨胀将变得无法控制且越来越快，最终导致一切都在原子层面分崩离析的“大撕裂（Big Rip）”。所有光和热都将消失，迎来“热寂（Heat Death）”。然而，如果按照这次的结果，即虽然存在暗能量，但它在逐渐减少，那么宇宙膨胀的加速度会逐渐趋近于0，宇宙可能会迎来缓慢冷却的“大冻结（Big Freeze）”。如果宇宙遵循这样的命运，星系团和超星系团等宇宙巨大结构将能够存活更长时间。
我们甚至可以进行更极端的想象。如果宇宙不仅在缓缓松开膨胀的油门，甚至还在将脚移向旁边的刹车呢？如果是那样，宇宙的膨胀终将停止，并重新开始重力坍缩。那么宇宙可能会走向大爆炸之初状态的“大挤压（Big Crunch）”命运。当然，这都是在我们所有人消失很久以后的故事，但能够不再仅仅通过空想，而是利用真实数据来探讨那不可预知的遥远未来，难道不是很令人兴奋吗？
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250314738D/abstract
作者池雄培（Ji Woong-bae）是谁？他热爱猫咪与宇宙。儿时在看过《银河铁道999》后，立下了向世人宣传宇宙之美的梦想。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论研究室从事通过星系相互作用进行演化的研究，并进行讲座与写作等多种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光之科学）等著作。