对遥远超新星的观测以及驱动宇宙加速的神秘排斥力
宇宙演化的惊人转折
在20世纪的大部分时间里，宇宙学家认为，宇宙膨胀——始于大爆炸——由于物质的引力作用而逐渐减缓。争论的核心在于宇宙是会永远膨胀还是最终坍缩，这取决于宇宙的总质量密度。然而，1998年，两个独立的研究团队 Ia型超新星 在高红移时发现了一些令人惊奇的事情： 宇宙膨胀 实际上是 加速。这种意料之外的加速指向了一个新的能量成分—— 暗能量—大致包括 68% 宇宙的能量密度。
暗能量的存在深刻地重塑了我们的宇宙观。它表明，在大尺度上，存在着一个 排斥效应 遮蔽了物质的引力，导致膨胀速度加快。最简单的解释是 宇宙常数 (Λ) 代表时空的真空能量。但另一些理论提出了动态标量场或其他奇异物理现象。虽然我们可以测量暗能量的影响，但它的本质仍然是宇宙学中的一个重大谜团，这凸显了我们对宇宙命运的了解还有多少。
2. 宇宙加速膨胀的观测证据
2.1 Ia 型超新星的标准烛光
天文学家依靠 Ia型超新星—双星系统中爆炸的白矮星—作为“可标准化蜡烛”校准后，它们的峰值亮度足够一致，通过测量视亮度与红移的关系，人们可以推断出宇宙的距离和膨胀历史。20世纪90年代末， 高红移超新星搜寻队 （由 Adam Riess、Brian Schmidt 领导）和 超新星宇宙学项目 （由 Saul Perlmutter 领导）发现遥远的超新星（红移约 0.5-0.8）出现 更微弱 比在减速甚至滑行宇宙中预期的要多。最佳拟合表明 加速 扩展[1,2]。
2.2 CMB与大尺度结构
后续观察 威尔金斯-梅隆大学 和 普朗克 卫星 宇宙微波背景辐射 各向异性提供了精确的宇宙参数，证实了单独物质（暗物质+重子）占临界密度的约 31%，以及一个神秘的 暗能量 或“Λ”占剩余部分（~69%）。大规模结构调查（e.g斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）也追踪了重子声学振荡，揭示了与加速膨胀的一致性。这些数据共同构成了ΛCDM模型：宇宙中重子物质约占5%，暗物质约占26%，暗能量约占69% [3,4]。
2.3 重子声学振荡和增长率
印刻在大尺度星系团上的重子声学振荡（BAO）就像一把“标准尺”，用于测量不同时期的膨胀。它们的模式还表明，在过去的几十亿年里，膨胀加速了，与纯粹物质主导的情景相比，宇宙结构的增长率有所降低。这些多重证据最终汇聚成一个结论：存在一个加速的成分，克服了物质的减速。
3. 宇宙常数：最简单的解释
3.1 爱因斯坦的Λ和真空能量
阿尔伯特·爱因斯坦 1917年，爱因斯坦引入了宇宙常数Λ，最初是为了得到一个静态宇宙解。哈勃膨胀理论被发现后，据说爱因斯坦曾将Λ视为“最大的错误”。然而讽刺的是，Λ 却重新成为宇宙加速的主要候选者—— 真空能 与 状态方程 （p = -ρc²），产生负压和排斥力。如果Λ真正恒定，它将在遥远的未来产生指数级膨胀，最终达到“德西特”阶段，物质密度变得可以忽略不计。
3.2 幅度和微调
观测到的暗能量密度约为 ρΛ ≈ (10-12 GeV)4量子场论预测真空能量要大很多个数量级，从而引发了臭名昭著的 宇宙常数问题：为什么测量到的Λ与普朗克尺度真空能量相比如此之小？尝试的解决方案（e.g……（通过某种未知机制取消）仍然不令人满意或不完整。这是理论物理学中最大的微调难题之一。
4. 动态暗能量：本质与替代方案
4.1 精髓场
有些人提出，不要使用严格的常数， 动态标量场 φ，势能 V(φ)，随宇宙时间演化——通常被称为“精髓”其状态方程 w = p/ρ 可能偏离 -1（纯宇宙常数的值）。目前观测测得 w ≈ -1 ± 0.05，因此存在与 -1 轻微偏差的空间。如果 w 随时间变化，我们可能会看到未来膨胀率的变化。但目前尚无明确的观测证据表明 w 随时间变化。
4.2 幻影能量或 K 精华
一些奇异的模型提出 w < -1（“幻象能量”），导致“大撕裂”的场景，宇宙膨胀加速，最终甚至撕裂原子。或者“k精华”理论包含了非正则动力学项。所有这些理论都还只是推测，主要通过将预测的宇宙膨胀历史与超新星、BAO 和 CMB 数据进行比较来检验，但这些数据都没有找出比接近常数的 Λ 更好的替代方案。
4.3 修正重力
另一种方法是修改 广义相对论 在大尺度上进行改进，而不是引入暗能量。额外维度、f(R) 理论或膜世界场景或许能够产生有效的加速。然而，协调太阳系精密测试和宇宙数据具有挑战性。目前，这些修改在与大范围观测结果的匹配方面均未显示出明显优于Λ的优越性。
5.“为什么是现在？”之谜与巧合
5.1 宇宙巧合
暗能量的能量密度比例在过去几十亿年里才开始占据主导地位——为什么宇宙现在才加速膨胀，而不是更早或更晚？这“巧合问题” 暗示着，要么是人择原理（智能观测者大致出现在物质与Λ同阶的时代），要么是某种尚未发现的物理学，为暗能量的起源设定了一个时间尺度。标准的ΛCDM模型并不能从本质上解决这个难题，但它以一种更宽泛的人择原理视角来解释它。
5.2 人择原理与多元宇宙
一些人认为，如果 Λ 大得多，那么在快速膨胀克服物质聚集之前，结构形成就不会发生；如果 Λ 为负或更小，我们就会有一个不同的宇宙时间线。 人择原理 表示我们发现Λ处于允许星系和观测者存在的狭窄范围内。再加上 多元宇宙 设想一下，每个区域可能拥有不同的真空能量，而我们生活在一个孕育复杂性的区域。虽然只是推测，但这却是一种将看似巧合合理化的方法。
6. 对宇宙未来的影响
6.1 永恒加速？
如果暗能量保持恒定Λ，宇宙膨胀将呈指数级加速。不受引力束缚的星系（e.g（本星系群之外的）最终会退到宇宙视界之外，留下一个由局部结构组成的“岛宇宙”。数百亿年后，视界之外的宇宙结构会逐渐消失，从而有效地将本星系群与遥远的星系隔离开来。
6.2 其他场景
- 动力精髓：如果 w &> -1，未来扩张速度低于指数级。可能接近德西特态，但速度较慢。
- 幻象能量（w < -1)：宇宙可能以“大撕裂”告终，膨胀最终甚至会超越束缚系统（星系、太阳系、原子）。观测数据略微不支持强幻影行为，但并不能完全排除它。
- 真空衰变如果真空能量处于亚稳态，它可能会自发地跃迁到能量较低的真空——这对局域物理学来说将是一场灾难。这极具推测性，但已知物理学并未禁止。
7. 当前和未来的搜索
7.1 高精度宇宙学巡天
调查结果如下 DES（暗能量调查）， 易博思， 欧几里得 （ESA）以及即将到来的 维拉·鲁宾天文台 (LSST) 测量数十亿个星系，通过超新星、重子振荡、弱透镜效应和结构生长来完善星系膨胀历史。通过检验状态方程参数w，他们试图确定它是否不等于-1。w的精度达到约1%或更高，或许能揭示一些关于暗能量是恒定的还是动态的线索。
7.2 引力波和多信使
未来引力波观测 标准警报器 （合并中子星）可以独立于电磁方法测量宇宙膨胀。结合电磁信号，标准警报器可以加强对暗能量演化的约束。同样，21 宇宙黎明或再电离时代的厘米断层扫描可能有助于测量高红移的宇宙膨胀，从而更彻底地测试暗能量模型。
7.3 理论突破？
解决宇宙常数问题或发现令人信服的精髓微观物理基础，可能来自先进的量子引力或弦理论框架。或者，新的对称原理（例如超对称，尽管迄今为止在大型强子对撞机上尚未发现）或人择原理论证或许能够阐明暗能量的微小性。如果直接探测到“暗能量激发”或第五力（尽管目前尚未发现），那将彻底改变我们的方法。
8. 结论
暗能量 是宇宙学中最深奥的谜团之一： 丑恶 为 加速扩张 这是意外发现的 遥远的Ia型超新星 20 世纪 90 年代末的观测。大量数据的支持——中子束， 包， 透镜以及结构增长——在标准ΛCDM模型下，暗能量约占宇宙能量预算的68-70%。最简单的候选者是 宇宙常数，符合现有数据，但提出了一些理论难题，例如 宇宙常数问题 以及人择巧合。
替代想法（精髓，修正重力， 全息场景) 仍属推测，但正在积极调查中。计划于 2020 年代及以后开展的观测活动—— 欧几里得， LSST， 罗曼太空望远镜——这将完善暗能量状态方程的约束，或许能揭示宇宙加速度是否真的随时间恒定，或暗示新的物理学。解开暗能量之谜不仅可以阐明宇宙的命运（永恒膨胀、大撕裂或其他），还能阐明量子场、引力和时空基本性质之间的相互作用。简而言之，揭开暗能量的身份是宇宙侦探故事的关键一步，它将揭示我们的宇宙如何演化、延续，以及随着加速将遥远的星系带到视界之外，最终如何从视野中消失。
参考文献及延伸阅读
- Riess, AG 等人（1998 年）。 “超新星观测证据表明宇宙正在加速膨胀，并且存在宇宙常数。” 《天文学杂志》， 116，1009–1038。
- 珀尔穆特，S.，等人。 （1999）。 “对 42 颗高红移超新星的 Ω 和 Λ 进行测量。” 《天体物理学杂志》， 517，565–586。
- 普朗克合作组织（2018 年）。 “普朗克2018结果。VI. 宇宙学参数。” 天文学 &天体物理学， 641，A6。
- 温伯格，S.（1989）。 “宇宙常数问题。” 现代物理学评论， 61，1–23。
- 弗里曼，JA，特纳，MS， & Huterer，D.（2008）。 “暗能量和加速膨胀的宇宙。” 天文学和天体物理学年度评论， 46，385–432。