它比宇宙中其他一切都重，它支配著宇宙的命運，並且無法用已知的物理學來解釋。
暗能量是物理學家用來描述某種物質、力或空間屬性的名稱，這種物質、力或空間屬性正在擾亂宇宙，使其膨脹加速。到目前為止，我們對它幾乎一無所知，這使得關於它的理論不受控制地增多。但是天文學家正在使用一系列令人印象深刻的儀器來解決這個問題。望遠鏡和射電探測器正在追蹤越來越多的宇宙，希望能找到暗能量的指紋。航天機構正在計劃兩項任務來研究這種物質。最劇烈的恆星爆炸可能會提供關於其對早期宇宙影響的見解。隨著引力波探測器開始監聽暗能量對碰撞黑洞回聲的影響，一個新的天文學分支也可能發揮作用。
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與尋找暗物質不同，這項探索是一項年輕的探索。自 1920 年代後期以來，科學家們就知道宇宙正在膨脹，但人們認為膨脹一定在減速，因為星系和其他物質之間的引力起到了剎車的作用。1998 年，兩個團隊發現了完全相反的情況。他們一直在尋找一種特定型別的恆星爆炸——Ia 型超新星，這種超新星發生在白矮星發生失控核反應時。Ia 型超新星的本徵亮度由其光線衰減的速度決定——較亮的超新星燃燒時間較短。因此，透過計算 Ia 型超新星衰減所需的天數，您可以計算出爆炸釋放的光量；然後，透過測量其在地球上的視亮度，您可以計算出超新星的真實距離以及光線傳播的時間。這種型別的宇宙學探測器被稱為標準燭光。
天文學家還測量每顆超新星的紅移。這是自光線發射以來光波波長被拉伸的量，它揭示了空間膨脹的程度。將這些觀測結果結合起來，天文學家可以確定宇宙隨時間的膨脹——這就是兩個團隊如何發現膨脹速度不是減速，而是加速的。他們的結論是：某種東西似乎正在壓倒引力的吸引力。
一個持久的謎題
現在被稱為暗能量的“某種東西”籠罩在神秘之中。我們只知道它具有向外推的奇特屬性，這與引力不同，引力曾被認為是主要的宇宙力量。現在天文學家想 выяснить 這種神秘現象是否隨時間變化。他們已經開始更仔細地觀察宇宙是如何膨脹的——有些人透過改進超新星標準燭光的使用，另一些人則透過設計新的宇宙學工具。
到目前為止，最有效的工具是基於宇宙聲波。在大爆炸後不久，宇宙充滿了離子、電子和輻射的彈性混合物。小的密度異常（由宇宙誕生最初 10−32 秒的量子漲落產生）敲擊了這個宇宙鍾，發出向外擴散的聲波。大約 40 萬年後，宇宙冷卻到足以讓離子捕獲自由電子。由於由此產生的中性原子對輻射是透明的，讓光子從它們身邊呼嘯而過，因此混合物不再具有彈性。由於聲音需要彈性介質才能傳播，因此原始聲波被阻止，在宇宙的大尺度結構上留下了不可磨滅的印記。因此，星系不是完全隨機分佈的，而是略微傾向於以規則的間隔排列。隨著宇宙膨脹，特徵距離一直在增長，今天約為 5 億光年（153 百萬秒差距）。
點選放大。 來源：自然，2016 年 9 月 28 日，doi:10.1038/537S201a
正如超新星可以作為標準燭光一樣，這些重子聲波振盪 (BAO) 可以充當標準尺子。標記足夠多的星系的位置，您就可以測量 BAO 的視大小。將其與紅移預測的大小進行比較，您就可以計算出這些特定 BAO 的距離。透過測量這些星系的紅移，並將其與距離作圖，可以揭示空間膨脹在宇宙歷史中的行為方式。
斯隆數字巡天專案名為重子振盪光譜巡天 (BOSS) 的計劃在 7 月份揭示了迄今為止 BAO 的最佳檢視。這是迄今為止規模最大的星系巡天。“這項技術真的開始發揮作用了，”加州大學伯克利分校的物理學家索爾·珀爾馬特說，他領導了 1998 年發現暗能量的團隊之一，並因這項工作與亞當·里斯和布萊恩·施密特分享了 2011 年諾貝爾物理學獎。
BOSS 資料不僅用獨立的證據支援了超新星結果，證明膨脹正在加速，而且還提供了一些關於暗能量如何表現的線索。加速模式表明，如果暗能量正在變化，那麼它的變化速度不會很快。
就目前而言，這個結論似乎有利於暗能量的候選者，即宇宙學常數。在 1920 年代，愛因斯坦曾嘗試在他的廣義相對論方程中新增一個常數項——相當於賦予空的空間自身能量。根據廣義相對論，這個宇宙學常數確實會抵抗普通引力的力。愛因斯坦最初調整了常數的值，以建立一個平衡的靜態宇宙模型。但在 1929 年，埃德溫·哈勃表明遙遠的星系正在遠離我們，天文學家意識到宇宙實際上正在膨脹。愛因斯坦放棄了這個常數。然而，現在，隨著宇宙膨脹正在加速的證據出現，宇宙學常數又重新受到關注。
能量之謎
問題是為什麼空間真空應該具有能量。量子場論假設存在大量的虛粒子，它們短暫地出現然後消失——這似乎是一個荒謬的想法，但量子理論家已經能夠用它來非常準確地預測普通粒子如何相互作用。這些虛粒子可能是暗能量排斥力的幕後推手。
但很難使數字匹配。產生觀測到的宇宙加速所需的真空能量約為每立方公里空間 1 焦耳；最簡單的量子場論版本將這些虛粒子的能量加起來，得到的值比該值高出約 120 個數量級。如此密集的真空能量會迅速將宇宙撕成碎片，而顯然這種情況並沒有發生。
也許科學家們遺漏了一些東西。尚未發現的粒子可能會抵消已知粒子提供的能量。但是，儘管設計一個使值為零的理論很簡單，但要幾乎但不完全抵消一個巨大的數字以留下所需的少量真空能量卻很困難。“宇宙學常數是一個奇怪的野獸，”珀爾馬特說。“它使理論看起來非常不對稱。”
因此，儘管宇宙學常數仍然是領跑者，但理論家們一直在忙於設計暗能量的替代形式。有些人建立了新的引力理論，類似於廣義相對論，但在非常大的尺度上產生排斥力。另一些人假設存在某種充滿空間的流體，有時稱為精質，它的作用有點像宇宙學常數，但密度緩慢變化。無論答案是什麼，暗能量都是開啟“一個完全未探索的基礎物理學領域”視窗的關鍵，賓夕法尼亞州費城賓夕法尼亞大學粒子宇宙學中心主任、理論宇宙學家馬克·特羅登說。找到答案不僅會改變對自然的看法，還會預示宇宙的命運。
星系巡天
許多專案正準備更深入地探究這個黑暗的謎團，並 выяснить 暗能量是否真的在整個宇宙中始終保持不變。暗能量巡天 (DES) 已經開始，它使用位於智利的維克托·M·布蘭科望遠鏡掃描南半球天空的廣闊區域，觀測超新星並編目超過 2 億個星系。2017 年初，一項規模更大的巡天——位於西班牙特魯埃爾附近的哈瓦蘭佈雷宇宙加速物理天體物理巡天 (J-PAS) 應該開始繪製其自身的宇宙 3D 地圖，以揭示 BAO。它將覆蓋北半球天空的大部分割槽域，並使用一種創新的儀器分析多達 5 億個星系，該儀器使用 56 個濾色片來揭示紅移。
與此同時，在加拿大西部，一種非常不同的儀器開始成型。加拿大氫強度測繪實驗 (CHIME) 位於不列顛哥倫比亞省彭蒂克頓附近，是一種不尋常的射電望遠鏡，由一系列半管構成，就像一個巨大的滑板公園。它收集來自南北線的無線電波，隨著地球自轉而掃過天空，從而構建天空影像。
CHIME 的設計目的是接收冷氫氣發出的波。與星系一樣，這攜帶著古代聲波振盪的印記。它甚至可能比星系巡天更好地揭示 BAO，因為星系是相對複雜過程的結果，而氣體更直接地遵循原始聲波。“這是一項非常乾淨的測量，”首席研究員馬克·哈爾彭說。它的簡單性使得該儀器的成本相對較低，為 1000 萬加元（780 萬美元）。“CHIME 是一筆令人震驚的划算交易，”哈爾彭說，他是加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學的實驗宇宙學家。
在未來十年中，預算更大的航天器和巨型地面望遠鏡預計將加入尋找暗能量的行列。這些大型專案，連同 DES 和 J-PAS，將共同使用四種宇宙工具。除了觀測超新星和繪製 BAO 外，他們還將測量引力透鏡效應並編目星系團。星系團被引力拉在一起，因此它們的增長可能揭示引力是否開始在大尺度上發生變化。引力透鏡效應，即遠處影像被中間物質彎曲，會在星系的排列方向上產生微妙的模式。觀察這些模式如何隨宇宙時間變化可以揭示暗能量的變化。
從 2023 年左右開始，位於智利的巨型綜合巡天望遠鏡 (LSST) 有望發現大量的超新星，並精確定位數十億個星系，以追蹤 BAO、星系團增長和透鏡效應。“LSST 將像打了類固醇的 DES 一樣，”DES 主任喬希·弗里曼說。歐洲航天局的歐幾里得任務計劃於 2020 年發射，也將利用引力透鏡效應。在地球大氣層造成的模糊之上，歐幾里得的清晰視野將能夠更好地發現透鏡星系的排列方向。它還將能夠收集被大氣層阻擋的近紅外光。美國宇航局計劃在 2020 年代中期發射一項類似的任務 WFIRST。WFIRST 將具有比歐幾里得更清晰的視野，因為它基於更大的 2.4 米口徑的反射鏡——美國國家偵察局捐贈的一塊光學器件，該局負責管理該國的情報衛星。“那是一場不尋常的技術再利用遊戲，”珀爾馬特說。
思想的爆發
即使有如此多的眼睛注視著天空，暗能量可能仍然難以捉摸。因此，一些天文學家正在研究更奇異的宇宙探測器。伽馬射線暴 (GRB) 是來自遙遠宇宙的高能輻射閃光。許多人認為，當大質量恆星的核心坍縮形成黑洞或中子星時，就會發生這種情況。在加利福尼亞州斯坦福大學，瑪麗亞·戴諾蒂希望使用 GRB 作為一種新型標準燭光。這似乎是一項艱鉅的任務，因為這些爆發以其多樣性而聞名，閃爍和衰落似乎沒有任何規律。“如果你見過一個 GRB，你就見過一個 GRB，”戴諾蒂說。但在 2008 年，她發現，在某些 GRB 中，發射先降至平臺期，然後再次下降，平臺期越短意味著爆發越亮（M. G. Dainotti et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 391,L79–L83; 2008）。
戴諾蒂對目前將 GRB 用於精密宇宙學持謹慎態度，部分原因是她的相關性尚無明確的物理原因。研究人員尚不清楚當恆星核心坍縮時 GRB 內部會發生什麼——高能發射可能是由快速旋轉的中子星或落入新生黑洞的物質產生的。
但是，當理論得到更好的建立後，像這樣的爆發可能會照亮暗能量的早期。GRB 比 Ia 型超新星亮得多，因此它們可以用來看得更遠，並將膨脹追溯到宇宙不到 10 億年前的時候。如果暗能量正在改變其性質，那麼遙遠的視野可能至關重要。
引力介入
可能需要一種新型的天文學才能破解這個黑暗的謎團。2016 年，雷射干涉儀引力波天文臺 (LIGO) 合作組織最終宣佈探測到時空旅行扭曲，即引力波，這是愛因斯坦一個世紀前預測的。持續不到一秒的獨特啁啾聲是碰撞黑洞的回聲，超過 10 億年前，當黑洞螺旋式向內運動並相互合併時，它震撼了時空結構。
“藉助這樣的引力波，我們可以測量距離，”英國卡迪夫大學物理學家、LIGO 合作組織成員斯蒂芬·費爾赫斯特說。波的形狀揭示了黑洞的質量和發射的總能量。將其與波到達地球時的強度相結合，您就可以計算出距離。
然而，繪製膨脹歷史還需要找到紅移，這比較棘手。有可能找到這些事件之一的宿主星系並使用它的光來揭示紅移，儘管宿主可能是廣闊目標區域中的眾多星系之一，因為引力波探測器尚無法精確地確定方向。如果所有這些多種多樣的工具都發現暗能量的行為沒有變化，研究人員可能別無選擇，只能放棄並接受宇宙學常數。“當我們發現自己接受宇宙學常數時，將是理論做出令人信服的預測步驟的時候，”珀爾馬特說。例如，一個理論可能會預測一類新的粒子來抑制宇宙學常數，而這些粒子隨後可能會被歐洲核子研究中心 (CERN) 的大型強子對撞機（歐洲的粒子物理實驗室）探測到。
物理學家喜歡怪異，因此大多數人可能都希望出現另一種結果：我們宇宙的大部分物質是一種不斷演變的事物，它甚至比真空能量還要奇怪。如果發現加速的來源是新的能量場或引力的修改，那麼後果將是深遠的。“這可能會導致我們重新思考引力與粒子物理學如何相互作用，”特羅登說。自從愛因斯坦以來，找到引力的基於粒子的描述就一直困擾著理論物理學家。為了最終做到這一點，我們可能不得不第二次放棄他的宇宙學常數。
本文最初作為自然展望：黑暗宇宙的一部分發表，這是《自然》雜誌的增刊。《展望》由 Eisai Inc. 贊助。所有《自然展望》內容在編輯上獨立於贊助商，除非明確標記為促銷內容。