暗能量是推動宇宙加速膨脹的神秘力量，仍然是現代物理學中最深刻的謎團之一。多年來，主要的解釋是這種能量是恆定的——真空的不變特性負責宇宙加速。但最近的證據讓科學家們重新思考這個假設。
去年，暗能量巡天（DES）和暗能量光譜儀（DESI）的結果表明暗能量可能無法解決，引起了宇宙學家的注意。天文學和天體物理學名譽教授喬什·弗里曼 (Josh Frieman) 解釋說：“這表明暗能量並不是愛因斯坦 100 多年前引入的宇宙學常數，而是一種新的動力學現象。”
新研究指出了一股不斷演變的力量
在發表於的一項研究中 物理檢查D 9月，弗里曼和美國宇航局哈勃獎學金項目愛因斯坦天文學和天體物理學研究員阿諾瓦爾·沙吉布分析了大量現有的宇宙學數據。他們的發現表明，暗能量動力學的時變模式比很久以前的宇宙學常數模型更符合當前的觀測結果。
沙吉布專門研究觀測宇宙學和星系演化，並應用強大的引力透鏡來測量哈勃常數並約束暗能量參數。弗里曼的工作還側重於觀測宇宙學，利用斯隆數字巡天 (SDSS) 和 DES 等大規模巡天研究來研究宇宙的起源、結構和命運，同時探索驅動其加速膨脹的神秘力量。
芝加哥大學與沙吉布和弗里曼討論了他們的發現、這些新模型對我們理解宇宙演化可能意味著什麼，以及未來的觀測是否會表明暗能量是否真的會隨著時間的推移而變化。
為什麼暗能量在宇宙研究中很重要？
弗里曼：現在我們確切地知道宇宙中有多少暗能量，但我們在物理上並不了解它 什麼 最簡單的假設是，它是空的空間本身的能量，在這種情況下它會隨時間不變，這一概念源於上世紀初的愛因斯坦、勒梅特、德西特等人。有點遺憾的是，宇宙中 70% 的人對此幾乎一無所知。不管它是什麼，它將決定宇宙未來的演化。
最近的哪些發現讓宇宙學家相信暗能量正在演化？
沙吉布：儘管自 20 世紀 90 年代發現暗能量以來，人們一直對暗能量的動力學性質感興趣，為了解決一些觀測差異，但直到最近，大多數主要和可靠的數據集都與非演化暗能量模型一致，該模型被視為標準宇宙學。然而，去年，結合來自 DES、DESI 和普朗克實驗的超新星、重子聲振盪和宇宙微波背景的數據，人們對暗能量演化的興趣再次強烈燃起。這種數據集的組合表明與暗能量的標準和演化模型存在強烈分歧。非演化暗能量的一個有趣特徵是，即使空間在膨脹，它的密度也會隨著時間的推移保持恆定。然而，對於不斷演化的暗能量模型，暗能量密度會隨著時間而變化。
弗里曼：這些調查的數據使我們能夠推斷宇宙膨脹的歷史：過去不同時代宇宙膨脹的速度有多快。如果暗能量隨著時間的推移而演變，那麼這段歷史將會與暗能量恆定時不同。宇宙膨脹歷史的結果表明，在過去十億年左右的時間裡，暗能量的密度下降了約 10%——下降幅度不大，比其他物質和能量的密度要小得多，但仍然很顯著。
這項研究的目的是什麼？一般結論是什麼？
沙吉布 和 弗里曼：本研究的目的是比較 物理的 使用最新數據集建模和推斷暗能量的演化 物理的 從這個比較中可以看出暗能量的特性。之前大多數數據分析中使用的暗能量演化“模型”只是一個數學公式，並不強製表現得像物理模型一樣。在我們的論文中，我們直接將基於物理的演化暗能量模型與數據進行比較，發現這些模型比標準非演化暗能量模型更好地描述了當前數據。我們還表明，諸如 DESI 和維拉魯賓天文台遺產時空調查 (LSST) 等不久的將來的調查將能夠明確地告訴我們這些模型是否正確，或者暗能量是否真正恆定。
描述所提出的模型以及為什麼它們比現有模型更好地解釋暗能量的行為。
弗里曼：這些模型基於稱為軸子的假設粒子的粒子物理理論。物理學家在 20 世紀 70 年代預測了第一個公理，試圖解釋強相互作用的一些觀察到的特徵。軸子現在被認為是暗物質的可能候選者，世界各地的實驗都在積極尋找它們，包括費米實驗室和芝加哥大學的物理學家。
我們論文中的模型基於軸子的超輕版本，該軸子將充當暗能量，而不是暗物質。在這些模型中，暗能量在宇宙歷史的前十億年中確實是恆定的，但隨後軸子將開始演化——就像傾斜場上的一個球從靜止狀態釋放並開始滾動——並且它的密度會慢慢降低，數據似乎支持這一點。因此數據表明自然界存在一種新粒子，它比電子輕38個數量級。
這些發現對於我們理解宇宙膨脹有什麼幫助？
沙吉布：在這些模型中，暗能量密度隨著時間而減小。暗能量是宇宙加速膨脹的原因，所以如果它的密度減小，加速度也會隨著時間的推移而減小。如果我們考慮宇宙非常遙遠的未來，暗能量的不同特性可能會導致不同的結果。這些結果的兩個極端是“大撕裂”，即加速膨脹將一切物質分解到自身加速的程度，包括原子；以及“大擠壓”，即宇宙停止膨脹並再次塌陷，看起來就像反向大爆炸。我們的模型表明，宇宙將避免兩個極端：它將經歷數十億年的加速膨脹，形成一個寒冷、黑暗的宇宙，即大冰凍。
這些結果是否會產生其他不太明顯的影響？
弗里曼：我能想像的唯一實際意義是我們需要開發技術來進一步探索這些想法：例如建造新的望遠鏡、發射新的衛星或開發新的探測器。它們對我們生活的影響將比數十億年後發生的事件大得多。
這些結果最令您興奮的是什麼？
沙吉布：在本文中，我們收集了所有主要數據集 – 來自 DES、DESI、SDSS、時延 COSMography、 普朗克和阿塔卡馬宇宙學望遠鏡——並將它們結合起來以獲得對暗能量最受限的測量。所有這些測量都來自廣泛的實驗，因此在某種程度上它們代表了整個宇宙學界所收集的集體知識。
弗里曼：2003 年我們開始研究 DES 時，我們的目標是限制暗能量的屬性以確定它是恆定的還是變化的。二十年來，數據表明它是恆定的。我們幾乎放棄了這個問題，因為數據始終支持這個假設。然而，我們現在得到了 20 多年來的第一個暗示：暗能量正在發生變化，如果它正在演變，那麼它一定是一種新的東西，會改變我們對基礎物理學的理解。那種感覺讓我們想起了當初的感覺。這些建議仍然可能是錯誤的，但我們可能即將回答這個問題，這非常令人興奮。
