暗能量：宇宙加速膨脹的黑暗推手｜賽先生天文
暗能量是什么？暗能量如何觀測？宇宙加速膨脹背后的物理機制到底是什么？愛因斯坦錯了嗎？本文將從暗能量的發(fā)現(xiàn)談起，深入介紹這個正在推動宇宙加速的神秘力量以及國內(nèi)外暗能量研究的未來發(fā)展態(tài)勢。
撰文：趙公博（中國科學院國家天文臺）、張新民（中國科學院高能物理研究所）
1. 宇宙正在加速膨脹
北京時間2011年10月4日，瑞典皇家科學院將2011年諾貝爾物理學獎授予美國科學家Saul Perlmutter、美國-澳大利亞科學家Brian P. Schmidt和美國科學家Adam G. Riess，以表彰他們一項震驚世界的科學發(fā)現(xiàn)：宇宙正在加速膨脹！
圖1. 2011年諾貝爾物理學獎得主（圖片來源：諾貝爾獎官方網(wǎng)站：www.nobelprize.org）
在介紹加速膨脹之前，我們先簡要地回顧膨脹宇宙的發(fā)現(xiàn)歷史。1929年，美國天文學家哈勃（Edwin Hubble）在分析了與銀河系近鄰的24個星系的觀測數(shù)據(jù)后，驚奇地發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的光譜存在紅移現(xiàn)象。類比于經(jīng)典物理學中的多普勒現(xiàn)象，星系光譜的紅移表明這些天體在逐漸遠離我們（見圖2A、2B）。哈勃還發(fā)現(xiàn)，天體退行速度
與它們離我們的距離
成正比，即
。這就是著名的哈勃定律，其系數(shù)
被稱作哈勃常數(shù)。哈勃發(fā)現(xiàn)的是一種時空膨脹效應(yīng)，這意味著整個宇宙處于膨脹狀態(tài)之中。這個發(fā)現(xiàn)在當時震驚世界，甚至讓很多人不安。千百年來，人們一直相信宇宙是靜態(tài)的，這個信念卻被哈勃的發(fā)現(xiàn)徹底粉碎。人們很希望宇宙的膨脹是在減速進行，這樣宇宙的未來還有可能是靜態(tài)的。
這個美好的愿望與愛因斯坦相對論的預(yù)言不謀而合。根據(jù)愛因斯坦提出的廣義相對論，時空的性質(zhì)由所屬的物質(zhì)分布和性質(zhì)所決定。由愛因斯坦場方程
我們可以清楚看到，宇宙的加速度，即宇宙標度因子
對時間的二階導(dǎo)數(shù)，與宇宙中總的能量密度與三倍的壓強之和反號。傳統(tǒng)理論認為宇宙中只有物質(zhì)，因此總的壓強為0，總的能量密度為正，則宇宙只能在引力的影響下減速膨脹。
在實驗觀測上，要了解宇宙在過去不同時刻的膨脹率，進而確定宇宙的膨脹是加速還是減速，就需要測量更遙遠天體的距離和紅移的關(guān)系。天體的紅移可以通過其光譜直接測量，但是測量天體與我們的距離卻非常困難。天文學上常用的測距方法是通過測量天體的亮度（它們和天體的星等相聯(lián)系）來推斷距離。因此，在測距過程中要選取那些具有已知的絕對亮度的天體作為觀測對象，這類天體被稱作“標準燭光”。通過測量不同紅移處標準燭光的亮度，并利用亮度與紅移（或者星等與紅移）的關(guān)系，我們就可以用它來確定宇宙膨脹率與時間的依賴關(guān)系（見圖2C）。
圖2. （A）星系光譜紅移觀測示意圖；（B）哈勃在觀測中；（C）利用標準燭光測距示意圖；（D）超新星作為宇宙標準燭光的示意圖；（E）利用超新星觀測得到的距離-紅移關(guān)系以及與不同宇宙學模型的對比（圖片來源：A-C: https://www.cfa.harvard.edu/supernova/; D: NASA/JPL - Caltech/R. Hurt; E: Bahcall et al., 1999, Science,284, 1481）。
宇宙中確實存在我們需要的標準燭光：Ia型超新星（SN）。此類超新星是雙星系統(tǒng)中，白矮星吸積物質(zhì)，或雙白矮星并合引起爆發(fā)形成的。這類星體在爆發(fā)時非常明亮，在短短幾周內(nèi)，其亮度可以與整個星系相比擬，在很遙遠的距離上都可以觀測到。經(jīng)過多年努力，由Perlmutter、Schmidt和Riess領(lǐng)導(dǎo)的兩個獨立的超新星研究小組在1998年幾乎同時發(fā)現(xiàn)，宇宙深處的超新星比一個通常的以物質(zhì)為主的宇宙所給出的要暗（見圖2E）。這個觀測證據(jù)表明，宇宙的膨脹正在加速！
除超新星以外，重子聲波振蕩（BAO）是探測宇宙膨脹歷史的另一枚重要探針。在宇宙早期，重子物質(zhì)與光子緊密耦合，并在引力和光子壓強兩種相反的作用力下形成類似聲波一樣的振蕩。隨著宇宙膨脹，溫度降低，這種聲波振蕩使得重子物質(zhì)逐漸相互遠離，直到宇宙大爆炸后約38萬年的微波背景輻射（CMB）時期。從此光子與重子不再相互作用，聲波振蕩過程結(jié)束，星系之間的距離被“凍結(jié)”在一個特定的宇宙學尺度上，即BAO尺度（示意圖見圖3A）。BAO尺度大約為150兆秒差距（約4.9億光年），具體數(shù)值依賴于宇宙學參數(shù)。觀測上，我們可以通過測量不同尺度上星系對的數(shù)目（宇宙學上稱為星系的兩點關(guān)聯(lián)函數(shù)）測量BAO尺度，進而測量宇宙學參數(shù)。由于利用BAO尺度直接受宇宙幾何影響，而且BAO測距幾乎不受系統(tǒng)誤差影響，BAO被稱為測量宇宙幾何的標準尺（示意圖見圖3B）。目前國際上最大的BAO巡天實驗為美國的斯隆數(shù)字巡天（SDSS）。其第三期的重子聲波振蕩光譜巡天（BOSS）通過測量一百萬條星系光譜，首次在有效紅移0.57處把BAO距離測量精度提高到1%的水平（Alam et al., 2016, arXiv:1607.03155），并成功在多個宇宙學紅移測得高精度的BAO信號，為宇宙學研究提供重要觀測支持（Zhao et al., 2016, MNRAS, 466,762）。BAO的觀測獨立地表明，宇宙確實正在加速膨脹！
圖3. （A）BAO效果圖；（B）BAO作為宇宙標準尺示意圖；（C）結(jié)合超新星（SN，藍色），重子聲波振蕩（BAO，綠色）和微波背景輻射（CMB，橙色）數(shù)據(jù)得到的宇宙組分結(jié)果。（圖片來源：A：www.sdss.org；B: NASA/JPL -Caltech/R. Hurt；C: supernova.lbl.gov）
宇宙標準燭光、宇宙標準尺以及CMB在限制宇宙學參數(shù)方面高度互補。圖3C顯示，結(jié)合SN、BAO和CMB的觀測數(shù)據(jù)，目前宇宙中約70%的能量是由一種稱為暗能量的未知能量組分提供，約25%的能量由一種稱為暗物質(zhì)的未知物質(zhì)形式提供，而我們熟悉的普通物質(zhì)只占總能量的5%左右。
2. 暗能量是什么
由前文談到的愛因斯坦場方程
我們可以看出宇宙膨脹加速，即宇宙標度因子對時間的二階導(dǎo)數(shù)為正，宇宙中總的壓強必為負值且需滿足
，即今天的宇宙是由一種具有很強負壓的物質(zhì)所主導(dǎo)（重子物質(zhì)和暗物質(zhì)壓強為0）。這種神秘的負壓物質(zhì)就是暗能量。我們目前對暗能量的本質(zhì)知之甚少，只了解它具有負壓強，且近乎光滑，即不結(jié)團。暗能量的更多性質(zhì)由其壓強與能量密度的比值，即狀態(tài)方程參數(shù)
來描述。
那么，什么是負壓物質(zhì)呢？以流體舉例，熱力學中流體壓強的定義是（在系統(tǒng)熵保持不變的條件下）其內(nèi)能隨體積變化率的負值，即
比如，當密閉容器中的氣體被活塞擠壓，氣體內(nèi)能增加，體積減小，因此其壓強為正。若使其壓強為負，則需要流體的體積與其內(nèi)能變化趨勢相同，即內(nèi)能和體積同時增加或者同時減小。這似乎與直覺相悖，因此很難以想象。實際上，真空即是一種奇怪的負壓物質(zhì)，因為其能量密度恒常不變，當真空體積增加，其內(nèi)能也隨之增加。因此，真空能是暗能量的候選者之一。
真空能實際上是愛因斯坦在100年前，為了得到靜態(tài)宇宙而引進的宇宙學常數(shù)
（愛因斯坦在1917年2月8日發(fā)表的一篇著名論文中引入了宇宙學常數(shù)）。但1929年哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹之后，愛因斯坦曾懊悔地表示，引入宇宙學常數(shù)是他一生在科學上所犯的最大錯誤。事實上，反引力的宇宙學常數(shù)不僅不能使宇宙靜止，反而會導(dǎo)致宇宙加速膨脹。如果愛因斯坦能夠得知1998年的天文觀測結(jié)果，他應(yīng)該倍感欣慰！
真空能的狀態(tài)方程
恒等于－1。真空能作為暗能量模型盡管沒有被目前的觀測排除，但是它卻存在著嚴重的理論問題。比如，
1） 利用量子場論計算得出的真空能量密度比實際觀測值大了約120個數(shù)量級；
2） 真空能量密度與物質(zhì)密度的時間演化形式完全不同，為什么恰巧在今天它們的數(shù)值剛好在同一數(shù)量級？
這些通常被稱為“精細調(diào)節(jié)困難”“巧合性問題”的理論問題讓科學家們不得不考慮其他暗能量候選者：動力學暗能量。
動力學暗能量是隨時間變化的動力學場的能量。這類模型可以解決或緩解真空能作為暗能量的巧合性問題。在過去的二十年間，人們提出了很多動力學暗能量模型，并給它們?nèi)×祟H具神秘色彩的名字，比如“精質(zhì)”（Quintessence；模型具有
的特性）、“幽靈”（Phantom；
）、“精靈”（Quintom；模型預(yù)言在宇宙演化的過程中能穿越
）、全息暗能量模型等。
一般來說，動力學暗能量不同于宇宙學常數(shù)，會帶來一系列有趣的物理現(xiàn)象。例如，暗能量場與電磁場的相互作用將會導(dǎo)致精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的改變；暗能量場有可能使中微子質(zhì)量在宇宙演化過程中發(fā)生改變；動力學暗能量場有可能導(dǎo)致宇宙學CPT（電荷-宇稱-時間反演）對稱性的破壞等。
暗能量的本質(zhì)決定著宇宙的命運。如果加速膨脹是由真空能引起的，那么宇宙將永遠延續(xù)這種加速膨脹的狀態(tài)。宇宙中的物質(zhì)和能量將變得越來越稀薄，星系之間互相遠離的速度將變得非?？欤碌慕Y(jié)構(gòu)不可能再形成。如果導(dǎo)致當今宇宙加速膨脹的暗能量是動力學的，那么宇宙的未來將由暗能量場的動力學決定，有可能會永遠加速膨脹下去，也有可能重新進入減速膨脹的狀態(tài)，甚至可能收縮，特別是在精靈暗能量框架下，宇宙將有可能是循環(huán)的，即膨脹－收縮－再膨脹－再收縮，……，循環(huán)往復(fù)。
從天文觀測數(shù)據(jù)中提取隨紅移（即時間）的演化歷史，對于探索暗能量的本質(zhì)至關(guān)重要，因此，這也是國內(nèi)外許多正在運行（SDSS巡天）和計劃中的大型巡天計劃（DESI、Euclid、LSST等）的首要科學目標之一。需要指出的是，不是直接可觀測量。粗略來說，
與BAO或者超新星觀測量對紅移的二階導(dǎo)數(shù)相對應(yīng)，而CMB則對應(yīng)從今天（即z=0）到宇宙早期（即z=1100）的時間積分。由于觀測量存在統(tǒng)計誤差和系統(tǒng)誤差，結(jié)合不同類型的觀測數(shù)據(jù)準確重建函數(shù)是有很挑戰(zhàn)性的科學任務(wù)。這需要結(jié)合數(shù)據(jù)處理、主成分分析等統(tǒng)計方法實現(xiàn)。圖4是本文作者與國際合作者分別利用2012年天文數(shù)據(jù)、2016年最新觀測數(shù)據(jù)，并基于我國12米巡天望遠鏡LOT模擬，得到的重建結(jié)果。如圖所示，動力學暗能量模型被目前觀測數(shù)據(jù)支持：2012年和2016年數(shù)據(jù)分別在
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置信水平上支持穿越 －1的動力學行為。基于目前數(shù)據(jù)得到的最佳擬合和模擬結(jié)果，LOT數(shù)據(jù)（結(jié)合SN和BAO）將有可能在
置信水平上發(fā)現(xiàn)暗能量動力學。
圖4. 暗能量狀態(tài)方程的演化歷史重建結(jié)果（Zhao et al, BOSS collaboration, 2017, arXiv: 1701.08165; Zhao et al, 2012, PRL 109, 171301）
3. 愛因斯坦錯了嗎？
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