大約100年前，埃德溫·哈勃發現宇宙正在膨脹：幾乎所有星系都在遠離我們自己的銀河系，而且遙遠的星系後退速度更快。這一發現意義深遠，但緊隨其後的是1998年一個更加驚人的認識：膨脹正在加速。在20世紀的大部分時間裡，科學家們一直期望隨著時間的推移，引力會將星系相互拉近，從而減緩膨脹。然而，兩組天文學家研究了超新星——作為測量宇宙距離標誌的爆炸恆星——後發現，宇宙的增長實際上正在加速。這一非凡的發現後來得到了其他觀測的證實，並於2011年獲得了諾貝爾物理學獎。但是，宇宙為什麼在加速？這個謎團是科學領域最大的未解之謎之一。
為了解釋它，宇宙學家提出了兩種替代觀點，任何一種觀點都將徹底改變我們對自然規律的理解。一種觀點是，艾薩克·牛頓（以及最近的阿爾伯特·愛因斯坦）並沒有對引力做出最終定論：雖然引力在地球和太陽系中是吸引力，但當涉及到星系際空間的廣闊距離時，它可能會以不同的方式起作用，變成一種排斥力。也許我們需要修改關於引力在宇宙尺度上如何運作的理論。
另一種觀點是，宇宙中充滿了某種看不見的物質——現在稱為暗能量——它抵消了引力，使物體相互排斥而不是相互吸引。宇宙學測量表明，如果暗能量存在，那麼它目前佔宇宙質量或能量的約70%（正如愛因斯坦在他的方程E = mc
支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠持續報道關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
2所證明的那樣，質量和能量是等價的）。暗物質（與暗能量無關）是一種看不見的物質形式，約佔25%，而正常物質——由原子構成的東西，包括恆星、行星和人類——僅貢獻約5%。這種圖景比引力在大尺度上以不同方式運作的觀念更受關注，因為它巧妙地解釋了宇宙中星系和更大結構的形成，並且與迄今為止的所有測量結果一致。
但是，我們如何才能確定暗能量是否是宇宙加速的罪魁禍首？如果是暗能量，那麼這種物質的本質是什麼？我們最近啟動了一個雄心勃勃的專案，稱為暗能量巡天專案（DES），以更好地理解宇宙為何似乎正在分崩離析。
該巡天專案應該透過以前所未有的精度，收集宇宙膨脹140億年曆史以及大尺度結構（遍佈宇宙的巨大星系團）增長率的完整記錄來提供答案。透過研究結構如何隨時間聚集在一起，我們希望區分導致它們現在分離的各種可能性。
我在費米國家加速器實驗室和芝加哥大學的同事，以及來自美國、西班牙、英國、巴西、德國和瑞士25個機構的300多名物理學家和天文學家，組成了DES合作組織，共同致力於建造、執行和分析來自暗能量相機的資料，暗能量相機是我們專案的硬體核心。
2012年，我們將這臺相機安裝在位於智利北部安第斯山脈高處的美國設施塞羅·託洛洛美洲際天文臺的一臺四米直徑的望遠鏡上。它於當年9月拍攝了第一批夜空快照，並在隨後的幾個月內進行了除錯。2013年8月31日，DES正式開始對南部天空的大片區域進行巡天。該巡天專案目前正處於第三個觀測季，每年8月至次年2月執行，為期五年，最終將生成大約2億個星系的深層、高解析度地圖，這些星系分佈在八分之一的天空中，以及一個可以用來追蹤宇宙膨脹的恆星爆炸目錄。該巡天專案已經收集了大量正在分析的資料，有望揭開宇宙膨脹的秘密。
相互競爭的假設
幸運的是，對於科學家來說，應該區分修正引力假設和暗能量假設的相同證據，也應該有助於闡明暗能量是什麼（如果它存在的話）。該巡天專案將測試關於暗能量的兩個主要觀點。對其最簡單的解釋可能看起來違反直覺：它是空的空間的能量。假設你拿一個盒子，清空裡面所有的物質——所有的原子、輻射、暗物質等等——並且沒有任何東西可以穿透它的壁。盒子的內部將是完美的真空。根據經典物理學，真空——空的空間——沒有能量。但量子理論認為，即使是空的空間也攜帶著能量。物理學家認為這種能量來自“虛”粒子：在任何時候，一個粒子和它的反粒子都可以自發地瞬間出現，然後相互湮滅並消失回真空中。虛粒子攜帶的能量形式正是構成暗能量並導致宇宙膨脹加速所需的能量形式。
這個概念的唯一困難是，量子物理學預測，空間中的真空能量的數量應該比它如果負責暗能量時看起來的數量大120個數量級（10
120）。如果你正在解決一個數學問題，很難犯這麼大的錯誤。部分由於這種差異，宇宙學家提出了真空能量以外的其他暗能量解釋。
其中一個觀點——巡天專案正在測試的第二個觀點——是暗能量以一種迄今未被探測到的粒子的形式存在，這種粒子可能是最近發現的希格斯玻色子的遠房表親：它將具有希格斯粒子的一些特性，但質量將輕44個數量級。這種可能性有時被稱為“精質”。人們可以將這種粒子想象成一個在空間中的每個點都在下坡滾動的球。滾動的球攜帶動能（由於它的運動）和勢能（由於它滾下的山的高度）；物體越高，其勢能越大。當它向下滾動時，其勢能下降，而其動能上升。如果精質粒子非常輕，質量小於約10
−33電子伏特（相比之下，電子的質量為511,000電子伏特），那麼它今天將滾動得非常緩慢，動能相對於勢能而言相對較小。在這種情況下，它對宇宙膨脹的影響將與真空能量的影響相似但不相同，並且會導致加速，儘管大多數版本的精質預測加速將在宇宙歷史中比真空能量是罪魁禍首時開始得更晚。
四種探測方法
為了區分宇宙加速的可能原因，暗能量巡天專案——該專案由美國能源部和國家科學基金會資助，並得到參與機構和外國資助機構的額外支援——正在研究四種對任何導致宇宙分離的事物特別敏感的現象。而且由於每種現象都涉及不同的可觀測量，因此這四種探測方法不會都受到相同的測量誤差的影響。
這四種現象是超新星、原始聲波的特徵、引力透鏡（引力對光的彎曲）和星系團。它們共同告訴我們宇宙膨脹的速度有多快，以及在宇宙歷史的不同時期物質聚集在一起形成大尺度結構的數量。在早期，直到大爆炸後大約數十億年，引力與膨脹作鬥爭，並使大尺度結構得以形成。但是，當宇宙大約70億歲時，物質變得足夠稀薄，以至於任何導致加速膨脹的事物——無論是暗能量還是修正引力——都變得比引力更占主導地位，並加速了膨脹，逐漸停止了更大結構的進一步形成。真空能量、精質和修正引力都將在宇宙膨脹率的歷史和結構增長模式中留下獨特的特徵，我們可以透過這四種探測方法來區分這些特徵。
超新星
Ia型超新星是一種恆星爆炸，當一顆被稱為白矮星的小而緻密的物體達到一定的質量極限時就會發生這種爆炸。這些超新星都達到幾乎相同的峰值亮度。它們在我們看來亮度上的任何差異都完全源於它們的距離：看起來較暗的那些距離更遠。這一特徵使它們成為所謂的標準燭光，或良好的宇宙標尺。例如，我們知道，一顆比另一顆Ia型超新星暗100倍的超新星，其距離是後者的10倍。
DES將每隔幾個晚上觀測同一片天空區域，以測量近距離和遙遠宇宙中數千顆Ia型超新星的精確距離，這幾乎是1998年發現宇宙加速時使用的超新星數量的100倍。我們還在使用其他望遠鏡來測量這些超新星的光向可見光譜的紅色端移動了多少。這種紅移發生在任何遠離觀測者的物體上，並告訴我們，自光發射時到現在的這段時間裡，宇宙膨脹使光的波長拉伸了多少。遙遠超新星的紅移直接揭示了當時宇宙相對於今天的大小。結合對同一物體的標準燭光距離測量，DES將能夠以極高的精度重建過去100億年的宇宙膨脹歷史。
這樣的測量可以區分不同的宇宙加速理論，因為每種理論都會產生略有不同的膨脹歷史。例如，如果精質在起作用，加速膨脹可能會比真空能量情景晚一些開始，並且累積得更緩慢。因此，如果宇宙包含類似希格斯粒子的精質粒子，則給定紅移的超新星將顯得更亮——將更近——而不是真空能量驅動膨脹的情況。如果引力的作用方式與我們想象的不同，那麼遙遠超新星的模式又會不同，儘管細節因研究人員對經典引力作用方式提出的具體修改而異。
這些測量中需要非常高的精度才能區分不同的模型，因為它們的預測僅略有不同。因此，我們希望以大約百分之一的精度瞭解距離與紅移的關係——暗能量相機首次應該能夠實現這一壯舉。
原始聲波的特徵
DES還將利用來自宇宙開端的遺蹟來研究其膨脹歷史。在早期宇宙中，引力將物質拉到一起，而宇宙中電磁輻射（光）的向外壓力則抵抗這種壓縮。這種競爭產生了一系列聲波。在大爆炸後幾十萬年，當普通物質從最初的熱狀態冷卻到足以從電離氣體轉變為原子時，原子和輻射各奔東西（它們有效地停止了相互作用），這種競爭也隨之停止。聲波到那時為止傳播的距離，今天對應於大約4.8億光年的尺度，最終作為星系對傾向於以此距離與其他距離分隔開的輕微趨勢，印在了星系的空間分佈中。
這種重子聲波振盪（BAO）尺度為測量宇宙距離和膨脹歷史提供了標準尺。也就是說，如果你知道尺子的物理尺寸（許多星系之間4.8億光年的跨度），並且可以測量它看起來有多大（天空中這些星系之間的角距離），那麼你就可以知道它有多遠。DES將測量大約2億個星系的BAO特徵，使我們能夠像對超新星一樣，繪製它們的距離與紅移的關係圖。如果精質導致宇宙開始加速的時間晚於真空能量負責且加速開始得更早的情況，則相同紅移的星系將更近。如果沒有暗能量，我們預計距離與紅移之間的關係將與這兩種情況中的任何一種情況都不同，儘管具體情況將再次取決於引力究竟是如何改變的。
引力透鏡
這種方法側重於愛因斯坦廣義相對論預測的光的特徵。當光線從遙遠的星系傳播到地球時，它們的路徑會受到它們經過的物質的引力場彎曲。這種彎曲導致這些星系影像的扭曲，這種效應稱為引力透鏡。當彎曲效應很大時，產生的影像可能是戲劇性的：遙遠的星系可能看起來像細長、非常延長的光弧，甚至可以看到同一星系的多個影像。然而，來自大多數星系的光線僅被輕微彎曲，導致其形狀發生非常小的扭曲，肉眼無法辨認：這是弱引力透鏡的範圍。
來自天空中彼此靠近的等距星系的光線，由於它們大致穿過相同的中間物質，因此被彎曲的程度幾乎相同。透過測量天空小塊區域中許多星系的形狀，我們可以推斷出影像被扭曲了多少，從而推斷出中間物質的團塊程度，即使每個星系影像僅被輕微扭曲。因此，對天空不同部分中星系的重複測量揭示了宇宙中物質的總體團塊程度。這種團塊程度的演變，因為它反映了引力與暗能量之間的競爭，並且對引力的任何修改都很敏感，因此可以幫助我們瞭解是什麼導致宇宙加速。
DES將測量2億個星系的形狀，以觀察這種效應，覆蓋的星系數量和天空面積是先前弱引力透鏡研究的20倍以上。透過極其精確地測量天空中不同距離地球的這些星系的形狀，我們可以建立迄今為止最精確的物質分佈圖，這些分佈圖位於不同的距離——也就是說，位於不同的宇宙時期，因為離地球越遠的東西，它的光到達我們所需的時間就越長。
該地圖將因導致宇宙分離的事物而異。例如，精質在阻礙大尺度結構增長方面的影響，可能比真空能量的影響發生在更早的宇宙時期。由於我們從測量中知道今天的宇宙有多團塊，因此如果精質在起作用，我們預計在宇宙更年輕時會看到比真空能量情況下更多的團塊。這個預測聽起來可能違反直覺，因為暗能量會阻礙團塊的形成，但是為了使宇宙在數十億年的膨脹後具有當前的結構，它早期必須相對團塊。如果沒有暗能量，修正引力將導致整個時間段內出現又一種不同的團塊模式——儘管對於引力定律的不同表述，早期團塊程度是相對更高還是更低會有所不同。
星系團
最後，DES還將搜尋星系團，以追蹤宇宙團塊隨時間的變化。星系團的質量高達太陽質量的10
15（1,000萬億）倍，是宇宙中最大的引力束縛物體，它們是在暗能量或修正引力的拉力下形成的。與以前侷限於較小天空區域的宇宙學星系團巡天專案不同，DES旨在發現數以萬計的星系團，其距離可達數十億光年。
然後，科學家將比較他們看到的靠近地球的星系團（對應於最近的時間）和遙遠過去的星系團的數量。與弱引力透鏡顯示的物質團塊程度的影響類似，我們預計，如果精質在起作用，那麼在早期宇宙中看到的星系團將比真空能量塑造宇宙的情況更多（在所有其他條件相同的情況下），並且如果我們看到引力的行為異常，我們將看到一種不同且更復雜的趨勢。
最先進的儀器
我們專案的秘密武器是為研究這個問題而製造的最強大的相機。安裝在維克托·M·布蘭科望遠鏡上的暗能量相機，旨在在儘可能短的時間內巡天觀測眾多物體，包括星系、星系團和超新星。這款超靈敏的5.7億畫素相機具有非常大的視場，由五個大型鏡頭實現，最適合一次性拍攝大片宇宙區域。
自2013年8月正式啟動以來，該巡天專案已覆蓋近5,000平方度的天空，獲得了約1億個星系的彩色影像。超新星巡天專案迄今已發現1,000多顆Ia型超新星。我們現在正在分析這些資料，以提取關於超新星距離的資訊，以便與紅移進行比較。我們還在測量星系形狀以推斷弱透鏡訊號，識別遙遠的星系團並測量它們的屬性，以及測量星系的空間分佈以尋找重子聲波振盪特徵。大約一年後，第一階段的分析應該完成，我們可以開始尋找揭示宇宙膨脹本質的線索。
與此同時，該實驗取得了一些有趣的天體物理學發現，例如在銀河系後院發現了16個超微弱矮星系候選者。這些非常附近的星系包含的恆星數量少至幾十顆，是宇宙中已知的暗物質主導程度最高的物體之一。它們的黑暗使它們非常難以探測，但它們作為像我們自己的銀河系這樣更大的星系的構建塊，以及作為探測暗物質本質的潛在場所而受到關注。
更多的DES資料正在不斷湧入。當您閱讀本文時，科學家們正在分析這些觀測結果，以尋找關於暗能量本質的線索。我們尚不清楚DES是否會提供明確的答案——暗能量還是修正引力？真空能量還是精質？——但我們確實知道，它將為尋找暗能量以及我們宇宙神秘加速膨脹的根本原因邁出下一個重要步驟。