Dark Energy: The Enigma Driving Cosmic Acceleration

暗能量：推动宇宙加速膨胀的谜团

Linas Juozėnas

知识方舟 · 宇宙 · 伟大的开端

为什么宇宙膨胀会加速？

遥远恒星的爆炸揭示了宇宙历史中一个出人意料的转折。宇宙的膨胀速度正在加快。暗能量是我们对一种可能原因的称呼——但确定其本质仍是一项未完成的工作。

宇宙膨胀负压一个不断变化的宇宙

概念性的大尺度距离，不暗示存在中心爆炸或外部观察视角。

膨胀发生变化加速关系到大尺度距离如何随时间增长。

Λ 是基准宇宙学常数具有不变的能量密度，且 w = −1。

原因尚无定论加速的证据并不能唯一确定某种物理成分。

暗能量

一种可观测的效应。一种尚未解决的解释。

引力将物质聚集成星系和星系团。然而，宇宙的大尺度膨胀已经进入加速阶段。理解这两者如何能够同时发生，是理解暗能量的第一步。

在标准ΛCDM 模型中，如今总宇宙能量密度的约 68% 与宇宙学常数 Λ 有关。这是基于模型的推断，并不是对某种物质的直接采样。其余主要成分是普通物质和冷暗物质。[1]

发生了什么变化？

什么是加速膨胀？

宇宙学家用尺度因子 a 描述大尺度膨胀，通常将其设定为今天的 1。它反映随整体膨胀运动的物体之间距离如何变化。加速意味着 a 的增长速率在增加。[2]

哈勃参数 H 衡量的是相对于尺度因子本身的增长率。由于 H = ȧ/a，加速并不一定会使 H 增大。在包含物质和正宇宙学常数的空间平坦宇宙中，a 可以越来越快地增长，而 H 则会下降并趋近于一个常数。[3]

忽略辐射的平坦宇宙（含物质和 Λ）的计算曲线。两个面板都采用今天的物质分数 0.315 和 Λ 分数 0.685；时间相对于该模型当前的宇宙年龄表示。a 在后期向上弯曲以及 H 的下降是相互一致的。这些是模型预测，而非绘制出的观测结果。[3]

遥远光线中的一项发现

改变了宇宙图景的超新星

Ia型超新星是恒星爆炸，其亮度可以利用光变曲线形状等特征进行标准化。将推断出的光度与接收到的光线进行比较，即可估算距离。它们之所以有用，是因为足够明亮且可以校准，而不是因为每次爆炸都完全相同。[5]

20世纪90年代末，高红移超新星搜寻队和超新星宇宙学项目将这些距离与红移进行了比较。与当时所检验的仅含物质的减速模型相比，遥远超新星显得更暗，因此也更远。独立分析支持这样一种宇宙历史：近期发生了加速膨胀。[6], [5]

这一结论不仅仅是通过观测微弱天体得出的。研究人员考察了尘埃、超新星群体的变化、选择效应以及其他可能的偏差。距离测量及其不确定性都必须在宇宙学框架内进行拟合。[6]

压力也会产生引力

Λ如何产生加速？

在广义相对论中，引力既响应压力，也响应能量密度。对于均匀且各向同性的宇宙，只要总压力足够负，就可以实现加速膨胀。这是引力方程的性质；它不需要一种将星系向外吹散的传统力。[7]

ä / a = −(4πG / 3c²)(ε_总量 + 3p_总量)

这里，ε是单位体积的能量，p是压力，G是引力常数，c是光速。如果存在Λ，则将其计入总能量密度和总压力。加速要求括号内的值为负。[7]

状态方程参数表示压力相对于能量密度的大小：w = p/ε。宇宙学常数满足 p = −ε，因此 w = −1。其负压提供了加速贡献；只有当各项贡献的合计满足条件时，整个宇宙才会加速。[8]

暗物质扮演着不同的角色。它通过引力聚集，并且在标准模型的宇宙学尺度上近似表现为无压物质。Λ在空间中仍保持均匀。“暗”并不意味着二者是同一种已被确认物质的不同形式。[9]

加速为何来得晚

物质会稀释。宇宙常数不会。

随着宇宙距离增大，同样的非相对论性物质占据更多体积。因此，其平均密度按 a⁻³ 下降。当尺度因子翻倍时，该密度降至八分之一。宇宙常数的能量密度保持不变，因此它的相对重要性会逐渐增加。[10]

一个具有代表性的平坦模型：今天的物质分数为 0.315，Λ 分数为 0.685。各密度共享同一个固定归一化值：今天的临界密度。水平的 Λ 曲线表明，占比增加并不要求密度增加。忽略辐射。[10]

这有助于解释为什么星系能够在漫长的物质主导时期形成，然后晚期加速才变得显著。在这一模型中，当 Λ 密度的两倍超过物质密度时，加速开始；那一刻两种密度不必相等。[11]

每种暗能量模型都保持不变吗？

不是。对于一个独立守恒且 w 为常数的成分，其能量密度按 a⁻³⁽¹⁺ʷ⁾ 缩放。令 w = −1 时，指数为零。其他取值意味着密度会变化，而随时间变化的 w 则需要更一般的关系。[11]

相互独立的研究方法

为什么一种观测不够

令人信服的膨胀史必须解释多种证据。每项测量提供的信息不同，不确定性也不同。

探测手段	它所提供的信息	需要注意的事项
Ia型超新星	亮度和红移描绘出距离—红移关系。	必须对标准化、尘埃、校准和选择效应进行建模。绝对距离需要绝对光度校准。[5]
重子声学振荡	星系聚类中的统计尺度可以测量相对距离和膨胀。	绝对标尺长度取决于早期宇宙物理或其他校准。[12], [13]
宇宙微波背景	远古的温度和偏振图样约束早期条件以及到最后散射面的距离。	对晚期暗能量和曲率的推断取决于宇宙学模型及互补数据。[1]
弱引力透镜与聚类	星系的形状和分布可以检验几何结构以及物质结构的增长。	形状校准、红移估计，以及星系与总物质之间的关系，都会影响推断。[14]

宇宙微波背景（CMB）尤其适合作为早期参照点。但支持暗能量的论据并不只是从一个完全平坦宇宙中减去物质估计值：空间平坦性是在一定假设下检验的，而允许曲率或演化中的暗能量会扩大数据所允许的范围。[1]

相互竞争的解释

暗能量可能是什么？

宇宙学常数

Λ是最简单的标准描述：具有w = −1的恒定能量密度。真空贡献可能具有这种形式。困难在于解释，尽管量子贡献可能很大，但根据宇宙学推断出的有效值为何如此之小。目前没有一个得到普遍认可的单一数值预测能够解决这一问题。[8]

一个不断变化的场

精质使用一个不断演化的标量场。该场的运动和势能决定其压强与密度。具有标准动能项和正能量密度的传统最小耦合场满足w ≥ −1。更一般的模型允许不同的行为，但必须在数学和物理上保持一致。[11]

引力本身是否需要修正？

修正引力模型改变了连接物质、几何与运动的定律。有些模型可以再现加速膨胀的历史。它们还必须通过其他检验，包括结构如何增长、引力如何使光线弯曲，以及引力在太阳系内如何表现。仅仅匹配膨胀历史是不够的。[15]

用一个场取代Λ并不能自动解决真空能问题。一个成功的理论必须解释，为什么不需要的贡献不会压倒宇宙学所允许的微小有效密度。[16]

数据正在检验什么

变化的线索，以及仍未解答的问题

研究背景：2026年9月。暗能量的行为正在接受积极检验。对更灵活模型的统计偏好，意味着有必要进一步研究其假设和预测。

一些将DESI测量结果与CMB和超新星数据结合的分析，更支持暗能量会演化的模型。这种偏好的强度会随数据集和模型而变化。2026年7月DESI分析中加入的额外信息适度降低了联合偏好；这并未确立演化暗能量这一发现。[18]

独立的暗能量巡天（DES）同样说明了校准的重要性。其2026年的联合分析发现，对暗能量演化的偏好较弱，而更新超新星校准后，这一偏好有所减弱。DES和DESI是不同的项目。[19]

哈勃张力指的是对当前宇宙膨胀率的不同估计。根据宇宙微波背景推断这一速率需要使用宇宙学模型；距离梯则使用经过校准的天文目标。二者之间的分歧促使人们检验测量和理论，但并不能证明暗能量就是其原因。[20]

下一个有用的检验是：一种解释对新数据的拟合程度，是否不逊于最初支持它的观测。更大的样本有帮助，但校准、共同的不确定性以及模型的选择同样可能至关重要。

下一步的测量

研究将如何推进

下一步的进展来自对精确距离、结构图以及不断变化天空的重复观测进行结合。几项大型巡天已经在收集或准备开展所需的信息，以便进行这些比较。

项目	状态与贡献
DESI	于 2026 年 4 月完成最初计划的五年观测，目前继续开展扩展巡天。星系和类星体光谱将绘制地图，用于检验膨胀和结构。[21]
欧几里得	一项正在运行、结合成像与光谱观测的空间巡天。星系形状和红移有助于研究宇宙几何以及结构的增长。[22]
鲁宾天文台	于 2026 年 6 月开始为期十年的时空遗产巡天。重复成像有助于研究暗物质、暗能量以及不断变化的天空。[23]
罗曼空间望远镜	于 2026 年 8 月发射，目前正飞往日地 L2 点，并在途中进行调试。其计划中的宽视场红外巡天将拓展对膨胀和结构的测量。[24], [25]

暗能量决定着宇宙的命运吗？

如果正的宇宙学常数持续存在，该模型会趋近于持续的指数膨胀。即使遥远且不受引力束缚的区域日益彼此隔绝，引力束缚系统仍可能保持在一起。这一预测取决于 Λ 是否继续描述未来。[4], [2]

有效的 w < −1 通常被称为幽灵行为。一些此类模型会以有限时间内的“大撕裂”告终，但仅凭 w < −1 并不能保证出现这种结果：未来的演化同样重要。不能简单地将当前的拟合结果无限延伸，来断言宇宙的最终命运。[26]

核心问题很明确：暗能量会随着宇宙演化而保持不变吗？

回答这一问题意味着提出不同的观测，以检验同一段历史。无论 Λ 能否经受这些检验，还是由更深层的解释取代它，未来的发展都要依靠能够区分这些可能性的测量。

来源与延伸阅读

原始研究、科学综述和官方任务信息。于 2026 年 9 月核查。图表是平坦的物质加 Λ 模型的计算示意图，其中 Ω_m,0 = 0.315，Ω_Λ,0 = 0.685，忽略辐射。它们不是巡天数据；未来部分是有条件的模型预测。

Planck 合作组（2020）——Planck 2018 宇宙学参数定义基准模型，并给出依赖模型的组成和膨胀估计。
Davis 和 Lineweaver——《膨胀的困惑：关于宇宙学视界和宇宙超光速膨胀的常见误解》（2004）可观测宇宙由能够到达我们的信息所定义。可见性边界不是物理上的外缘，也不是对空间总范围的测量。
Carroll（2000）——宇宙学常数弗里德曼方程区分了尺度因子的加速增长与膨胀率分数的增加。
Carrera 和 Giulini（2010）——全球宇宙膨胀对局部动力学和运动学的影响局部引力束缚可能支配附近动力学中的极小宇宙学贡献。
Perlmutter 等（1999）——来自 42 颗高红移超新星的 Ω 和 Λ 测量超新星宇宙学项目的独立结果，包括光变曲线标准化。
Riess 等（1998）——超新星加速宇宙和宇宙学常数的观测证据高红移超新星搜索小组最初关于加速膨胀的距离—红移证据。
Frieman、Turner 和 Huterer（2008）——暗能量与加速膨胀的宇宙宇宙加速、压强以及宇宙学常数在历史上的作用。
Martin——《关于宇宙学常数问题你一直想知道的一切（但又不敢问）》（2012）区分真空能计算与具有唯一预测值的宇宙学常数。
粒子数据组、Baudis 和 Profumo（2025 年更新）——暗物质冷暗物质提供了能够形成聚集的物质成分，但其本质仍然未知。
Weinberg 等（2013）——宇宙加速的观测探针某一成分的压强决定了其能量密度如何随宇宙膨胀而变化。
Copeland、Sami 和 Tsujikawa（2006）——暗能量的动力学精质是可能随时间演化的标量场，其压强由其动能和势能决定。
Eisenstein 等（2005）——SDSS 高光度红星系大尺度相关函数中重子声学峰的探测展示统计星系聚类中的声学特征，以及其作为宇宙学距离标尺的用途。
Eisenstein 和 Hu（1998）——物质转移函数中的重子特征将重子拖曳声视界定义为共动声学距离，与光子最后散射相区别。
Bartelmann 与 Schneider——弱引力透镜光线偏折、统计图像畸变、投影质量重建，以及引力透镜推断的局限性。
Koyama（2016）——修正引力的宇宙学检验暗能量的替代理论必须满足局部引力检验以及对宇宙结构的预测。
Burgess——宇宙学常数问题：为什么从微观物理中获得暗能量很困难（2013）解释了为什么在纳入量子效应后，微小的真空贡献难以维持。
Planck 合作组（2018/2020）——暴胀约束检验原初扰动谱和暴胀模型，但无法确定唯一的起源。
DESI 合作组（2026 年）——DR2 莱曼-α 几何学与宇宙学约束膨胀测量持续检验演化中的暗能量，任何偏好信号的强弱取决于模型和数据组合。
DES 合作组（2026 年 5/6 月）——完整暗能量巡天中来自多种探针的动态暗能量约束DES 结合超新星、星系聚类、弱引力透镜和 BAO，检验随时间变化的暗能量状态方程。
Knox 与 Millea（2020）——哈勃常数猎手指南展示 CMB 声学特征如何通过宇宙学模型推导出今天的膨胀率。
伯克利实验室（2026 年 4 月 15 日）——DESI 完成宇宙三维地图的计划绘制并继续探索DESI 于 2026 年 4 月完成了原计划的五年观测，并继续扩展巡天。
ESA（2026 年 6 月 24 日）——ESA 的 Euclid 捕捉到银河系拥挤的核心Euclid 正在运行，通过成像和光谱学研究宇宙膨胀与宇宙结构。
Rubin 天文台（2026 年）——时空遗产巡天已开始Rubin 于 2026 年 6 月开始为期十年的成像巡天，持续重复记录南方天空。
NASA（2026 年 8 月 30 日）——Nancy Grace Roman 太空望远镜发射Roman 于 2026 年 8 月发射，旨在为宇宙开展宽视场红外巡天。
NASA（2026 年 9 月 7 日更新）——Roman 调试Roman 正在前往日地 L2 点的途中进行系统启用和校准。
Frampton、Ludwick 和 Scherrer（2011）——小撕裂当前值低于 w=−1 本身并不能决定宇宙最终的命运。

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