新发现表明爱因斯坦的宇宙常数可能是错的

去年，暗能量巡天（DES）和暗能量光谱仪（DESI）的研究结果引起了宇宙学家的关注，这些结果表明暗能量或许并非一成不变。“这将是我们首次发现暗能量并非爱因斯坦100多年前提出的宇宙学常数，而是一种全新的、动态的现象。”天文学与天体物理学名誉教授乔希·弗里曼解释道。

新分析指向一种演化的力

在9月发表于《物理评论D》的一项研究中，弗里曼与美国国家航空航天局哈勃奖学金项目的爱因斯坦研究员、天文学与天体物理学学者阿诺瓦尔·沙吉布，分析了大量现有的宇宙学数据。他们的发现表明，与长期存在的宇宙学常数模型相比，动态、随时间变化的暗能量模型能更好地契合当前观测结果。

沙吉布专长于观测宇宙学和星系演化，他运用强引力透镜效应来测量哈勃常数并缩小暗能量参数的范围。弗里曼的研究也以观测宇宙学为核心，利用斯隆数字巡天（SDSS）和暗能量巡天（DES）等大规模天空巡天项目，研究宇宙的起源、结构和命运，同时探索驱动宇宙加速膨胀的神秘力量。

芝加哥大学就他们的发现、这些新模型对我们理解宇宙演化的意义，以及未来观测如何揭示暗能量是否真的随时间变化等问题，采访了沙吉布和弗里曼。

为何暗能量在宇宙研究中具有重要意义？

弗里曼：我们现在精确地知道宇宙中暗能量的总量，但对它究竟是什么却缺乏物理解释。最简单的假设是，它是空无一物的空间本身所具有的能量，在这种情况下，它不会随时间变化——这一观点可追溯到上世纪初的爱因斯坦、勒梅特、德西特等人。令人有点尴尬的是，我们对占宇宙70%的成分几乎一无所知。但无论它是什么，都将决定宇宙未来的演化。

最近哪些发现让宇宙学家开始考虑暗能量可能在演化？

沙吉布：尽管自上世纪90年代发现暗能量以来，为解决一些观测差异，人们就对其动态性质产生了兴趣，但直到最近，大多数主要且可靠的数据集都与非演化暗能量模型（即被广泛接受的标准宇宙学模型）相符。然而，去年来自暗能量巡天（DES）、暗能量光谱仪（DESI）和普朗克卫星实验的超新星、重子声学振荡和宇宙微波背景数据结合在一起，重新激起了人们对演化暗能量的浓厚兴趣。这些数据集的结合表明，它与标准的非演化暗能量模型存在显著差异。非演化暗能量的一个特点是，即使空间在膨胀，其密度也会随时间保持恒定。而对于演化暗能量模型，暗能量密度会随时间变化。

弗里曼：这些巡天数据使我们能够推断宇宙膨胀的历史——即过去不同时期宇宙的膨胀速度。如果暗能量随时间演化，那么这一历史将与暗能量恒定不变的情况不同。宇宙膨胀历史的结果表明，在过去几十亿年左右的时间里，暗能量密度下降了约10%——降幅不算大，远小于其他物质和能量的密度变化，但仍然意义重大。

这项研究的目标是什么？总体发现有哪些？

沙吉布和弗里曼：本研究的目标是将演化暗能量的物理模型预测与最新数据集进行比较，并通过这种比较推断暗能量的物理性质。以往大多数数据分析中使用的演化暗能量“模型”只是一个数学公式，并未像物理模型那样受到行为约束。在我们的论文中，我们直接将基于物理的演化暗能量模型与数据进行比较，发现这些模型比标准的非演化暗能量模型更能描述当前数据。我们还表明，像暗能量光谱仪（DESI）和薇拉·鲁宾天文台时空遗产巡天（LSST）等近期的巡天项目，将能够明确告诉我们这些模型是否正确，或者暗能量是否真的恒定不变。

请描述所提出的模型，以及它们为何能比现有模型更好地解释暗能量的行为？

弗里曼：这些模型基于假设粒子——轴子的粒子物理理论。轴子最初由物理学家在20世纪70年代预测，旨在解释强相互作用的某些观测特征。如今，轴子被认为是暗物质的合理候选者，全球范围内的实验（包括费米实验室和芝加哥大学的物理学家）都在积极寻找轴子。

我们论文中的模型基于一种不同的、超轻版本的轴子，它将充当暗能量而非暗物质。在这些模型中，暗能量在宇宙历史的最初几十亿年里实际上是恒定的，但之后轴子会开始演化——就像斜坡上静止释放的球开始滚动一样——其密度会缓慢下降，这与数据所显示的偏好一致。因此，数据表明自然界中存在一种新粒子，其质量约为电子质量的38个数量级。

这些发现对理解宇宙膨胀有何意义？

沙吉布：在这些模型中，暗能量密度随时间下降。暗能量是宇宙加速膨胀的原因，因此如果其密度下降，加速度也会随时间减小。如果我们考虑宇宙的遥远未来，暗能量的不同特性会导致不同的结果。两种极端结果分别是“大撕裂”（加速膨胀本身不断加速，最终撕裂一切，甚至原子）和“大挤压”（宇宙在某个时刻停止膨胀并重新坍缩，就像大爆炸的逆转）。我们的模型表明，宇宙将避免这两种极端情况：它将经历数十亿年的加速膨胀，最终形成一个寒冷、黑暗的宇宙——即“大冻结”。

这些结果是否还有其他不太明显的影响？

弗里曼：我能想到的唯一实际影响是，我们需要开发技术来进一步探索这些想法——例如建造新的望远镜、发射新的卫星或开发新型探测器。这些发展对我们生活的影响可能远大于数万亿年后发生的事件。

这些结果最让你们兴奋的是什么？

沙吉布：在这篇论文中，我们收集了所有主要数据集——来自暗能量巡天（DES）、暗能量光谱仪（DESI）、斯隆数字巡天（SDSS）、时延宇宙学、普朗克卫星和阿塔卡马宇宙学望远镜——并将它们结合起来，得到了迄今为止对暗能量最精确的测量结果。所有这些测量都来自广泛的实验，因此在某种程度上，它们代表了宇宙学界集体积累的知识。

弗里曼：2003年我们开始从事暗能量巡天（DES）工作时，目标是约束暗能量的性质，以确定它是恒定的还是变化的。二十年来，数据都表明它是恒定的。由于数据一直支持这一假设，我们几乎放弃了这个问题。然而，现在我们有了20多年来第一个暗能量可能在变化的迹象。如果它确实在演化，那它一定是某种新的东西，这将改变我们对基础物理的理解。这种感觉让人想起我们刚开始的时候。这些迹象仍有可能被证明是错误的，但我们可能正处于回答这个问题的临界点，这非常令人兴奋。