暗能量光谱巡天合作组发布的新宇宙膨胀历史地图暗示，标准宇宙学模型可能正在失效。

暗能量光谱巡天合作组头三年数据的一个切片——这些数据构成了迄今为止绘制出的最大的三维宇宙地图

近一个世纪以来，我们已然知晓宇宙正在膨胀。而在过去的四分之一个世纪中，我们也发现这种膨胀正在加速，这一发现获得了2011年的诺贝尔物理学奖。但是，驱动这种加速的神秘“暗能量”究竟是什么？最简单的解释涉及爱因斯坦所称的“宇宙学常数”（Λ），这一模型暗示暗能量是一种时空本身固有的恒定能量。这一设想是标准宇宙学模型“Λ-冷暗物质模型”（ΛCDM model）的基石，数十年来，该模型成功且一致地解释了所有可获得的天文观测数据。然而如今，对宇宙膨胀历史的高精度测量正对该模型提出前所未有的挑战。暗能量光谱仪（DESI）绘制了一幅规模前所未有的宇宙地图。这些测量结果与其他观测数据相结合表明，暗能量也许实际上并不恒定，这初步暗示着，我们对宇宙的理解可能即将迎来重大的转变。

为了绘制宇宙膨胀的地图，宇宙学家需要一种“标准尺”，即某种具有已知物理尺寸的天文学“量尺”。重子声学振荡正是这样一种标尺，它是宇宙早期遗留下来的微弱涟漪。在早期宇宙仍处于炽热而致密的等离子体状态时（大爆炸约38万年后），声波会像水面落石产生的波纹一样，从高密度区域向外传播。随着宇宙膨胀冷却，驱动这些波的光子与物质发生退耦，涟漪也随之“冻结”在原地，在宇宙中留下了特征性的尺度。这一尺度可通过星系（以及其他天体）在约1.47亿百万秒差距（约4.8亿光年）的距离上所存在的轻微分布偏好来观测到，这就是声波从大爆炸到冻结时所传播的距离。而通过观测宇宙微波背景辐射，即可精确确定该时刻的重子声学振荡尺度。

通过观测这一标尺在宇宙历史不同时刻的视直径，宇宙学家可以测量宇宙膨胀速度随时间的变化。在此前斯隆数字化巡天项目的成果基础上，暗能量光谱巡天合作组展开了规模宏大的巡天调查，绘制了数千万个天体的三维位置图。为了使探测覆盖不同的宇宙时代，该巡天项目选取了不同类型的天体作为“示踪物”。对于邻近宇宙（红移值z≤0.4），该项目的亮星系巡天调查选取了足够明亮的星系样本，即使在几乎满月的情况下也能观测到。在观测更远距离时，合作组则以两类天体为目标：“亮红星系”（主要由老年恒星组成的巨大星系）和“发射线星系”（可通过与恒星形成相关的特征发射探测到的年轻星系）。而在绘制最遥远的时代时（z>2），合作组选择了类星体作为示踪物，这些星系的极亮核心是由超大质量黑洞驱动的。来自这些遥远类星体的光会穿过高红移的宇宙网（一张由纤维状结构、片状结构和空洞组成的庞大网络）。这种网状结构中所含的氢会形成一组吸收线图谱（也就是莱曼α森林线丛），它描绘了重子物质的分布，从而揭示了重子声学振荡。合作组的高红移莱曼α森林分析利用了超过82万颗类星体的光谱，探测了可追溯至110亿年前的宇宙。

宇宙相对于今天大小的重建地图。该图显示，测量结果沿着一条理论曲线排布，该曲线暗示了暗能量和物质的存在。暗能量光谱仪使用不同的示踪物来探测不同的宇宙时期：亮星系巡天（BGS）、亮红星系（LRGs）、发射线星系（ELGs）、类星体（QSOs/quasars）、莱曼α森林（Ly-α）

此次巡天项目的新结果结合了从邻近星系到遥远类星体的所有示踪物，绘制出了迄今为止最全面的宇宙地图。该分析涵盖了巡天调查头三年中收集的超过1400万个星系和类星体的数据，测量结果的精度令人惊叹：对于测量的大多数宇宙时期，重子声学振荡尺度的不确定性低于1%，相比合作组首次发布数据时提高了约30%到50%。在测定宇宙几何结构方面，这是一次令人印象深刻的创纪录成果。

暗能量光谱巡天合作组的研究人员将这些测量结果放入标准ΛCDM模型框架下进行分析，发现该模型与他们的数据拟合良好。然而，合作组数据的最佳拟合模型参数和基于宇宙微波背景辐射观测所得的参数之间，存在轻微但不断加剧的分歧。直到数年前，这两者的分析结果在各自报告的不确定性范围内仍然是彼此一致的。然而，新的结果暗示着潜在的不一致性：目前，两种方法之间的统计张力已达到2.3σ水平，这一差距尚不足以被称为重大发现，但十分耐人寻味。

当我们考虑一种有别于宇宙学常数的替代理论，即暗能量非恒定的理论时，事情则会变得更加复杂。合作组团队测试了一个更为灵活的模型，在该模型中，暗能量“状态方程”的关键参数w（定义为压力与密度之比）可以随时间变化。对于宇宙学常数而言，w始终固定为-1。而在允许w随时间演化后，模型与合作组巡天数据的拟合度变高了。更重要的是，当将合作组数据与其他观测结果（包括宇宙微波背景辐射和超新星观测）结合分析时，对这种演化型暗能量模型的偏好达到了4.2σ的显著性水平，这暗示着，暗能量可能是在更近期的宇宙时期变强的。如果这一结果得到确认，将是一项具有划时代意义的发现。

我们正生活在一个对宇宙学而言极其令人振奋的时代。虽然暗能量光谱巡天项目的这些结果尚不能明确地推翻我们的标准模型，但它们提供了一个强有力的证据，说明ΛCDM模型可能并不完整。该项目数据的惊人精度彻底改变了游戏规则：任何关于暗能量的新理论都必须与这些极其精确的宇宙膨胀历史测量结果保持一致。合作组的成果为这一领域设立了新的标杆。

让这些数据更惊人的是，暗能量光谱巡天项目的研究远未结束。本文所述成果仅基于为期五年项目的前三年数据。规模更大、精度更高的最终数据集有望排除偶然误差，并将总体标准差提升到5σ以上，从而达到宣布新发现所需的阈值标准。与此同时，与即将开展的其他高精度实验的协同也至关重要。此类实验包括诸如欧几里得卫星提供的来自聚合星系的几何重子声学振荡测量，以及基于薇拉 · 鲁宾天文台弱引力透镜数据的结构增长特征分析。

无论未来的数据是会巩固标准模型并迫使我们重新审视潜在的系统误差，还是会确认新物理理论的必要性，其结果的影响都将是深远的。合作组的第二次数据发布已然挑战了我们描绘出的宇宙最简图景，而如今，全球的宇宙学家都在热切期待五年期全图的问世。同时，他们还会不断开发更为先进精确的统计工具，以检验项目结果的稳健性。

资料来源 Physics

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本文作者马特奥·唯尔（Matteo Viel）是一位宇宙学家，主要通过研究高红移结构形成过程来发展基础物理理论。他在意大利帕多瓦大学获得博士学位，随后前往英国剑桥大学天文学研究所从事博士后研究。之后，他成为意大利国家天体物理研究所的研究员，并在意大利国际高等研究院（SISSA）担任教授。他曾于2018年至2022年间担任意大利国际高等研究院的天体粒子与引力物理小组组长，兼任博士课程协调员。目前，他通过运行大型计算机模拟，并将结果与诸如DESI等巡天项目提供的数据进行比较，研究宇宙的演化