我們花了這麼長時間才發現？直到1998年，天文學家才發現我們一直忽略了宇宙中近四分之三的成分，即所謂的暗能量——一種未知的能量形式，它包圍著我們每個人，輕輕地拉扯著我們，掌握著宇宙的命運，但我們幾乎完全看不到它。誠然，一些研究人員曾預料到這種能量的存在，但即使是他們也會告訴你，它的發現是20世紀宇宙學中最具革命性的發現之一。暗能量似乎不僅構成了宇宙的大部分，而且如果它能經受住時間的考驗，可能還需要發展新的物理學理論。
科學家們才剛剛開始漫長地探索暗能量究竟是什麼以及它意味著什麼。一個認識已經深入人心：儘管暗能量透過其對整個宇宙的影響暴露了其存在，但它也可能塑造宇宙居民——恆星、星系、星系團——的演化。天文學家可能已經盯著它的傑作看了幾十年，卻渾然不覺。
具有諷刺意味的是，暗能量的普遍性正是使其難以識別的原因。暗能量不像物質那樣，在某些地方比其他地方更密集；就其本質而言，它均勻地分佈在各處。無論在何處——無論是在你的廚房還是在星系際空間——它都具有相同的密度，約為 10
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−26 千克每立方米，相當於幾把氫原子。我們太陽系中所有暗能量的總量相當於一顆小行星的質量，這使得它在行星的舞蹈中成為一個完全無關緊要的角色。只有在廣闊的距離和時間跨度上觀察時，它的影響才會顯現出來。
自美國天文學家埃德溫·哈勃時代以來，觀測者就已知道，除了最近的星系外，所有星系都在以驚人的速度遠離我們。這個速度與距離成正比：星系越遠，後退速度越快。這種模式暗示，星系並非在傳統意義上穿過空間移動，而是在空間本身的結構被拉伸時被攜帶[參見查爾斯·H·林威弗和塔瑪拉·M·戴維斯的“關於宇宙大爆炸的誤解”；《大眾科學》，2005年3月]。幾十年來，天文學家一直在努力回答一個顯而易見的後續問題：膨脹率如何隨時間變化？他們推斷，膨脹率應該減慢，因為星系彼此之間施加的向內引力最終應該抵消向外的膨脹。
關於膨脹率變化的第一個明確的觀測證據涉及遙遠的超新星，即可以用作宇宙膨脹標記的大質量爆炸恆星，就像觀察漂流木可以測量河流的速度一樣。這些觀測清楚地表明，過去的膨脹速度比今天慢，因此正在加速。更具體地說，膨脹速度曾經減慢，但在某個時候經歷了轉變並開始加速[參見克雷格·J·霍根、羅伯特·P·基爾什納和尼古拉斯·B·松澤夫的“用超新星測量時空”；《大眾科學》，1999年1月，以及亞當·G·里斯和邁克爾·S·特納的“從減速到加速”；《大眾科學》，2004年2月]。這一引人注目的結果後來透過對宇宙微波背景輻射的獨立研究進行了交叉驗證，例如威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）。
一種可能的結論是，在超星系尺度上適用的引力定律與在較小尺度上適用的引力定律不同，因此星系的引力實際上並不能抵抗膨脹。但更普遍接受的假設是，引力定律是普遍適用的，並且某種形式的能量，以前科學界未知，正在對抗並壓倒星系之間的相互吸引力，從而將它們推得越來越遠。儘管暗能量在我們星系內（更不用說你的廚房裡）微不足道，但它加起來卻是宇宙中最強大的力量。
宇宙雕塑家
當天文學家探索這種新現象時，他們發現，除了決定宇宙的整體膨脹率外，暗能量還對較小尺度產生長期影響。當你從整個可觀測宇宙放大時，你首先注意到的是，宇宙尺度上的物質以蛛網狀模式分佈——一個由長達數千萬光年的細絲組成的薄紗，其中散佈著大小相似的空隙。模擬顯示，需要物質和暗能量共同解釋這種模式。
不過，這一發現並不令人感到非常驚訝。細絲和空隙不是像行星那樣的連貫物體。它們沒有脫離整體宇宙膨脹並建立自己的力平衡。相反，它們是由宇宙膨脹（以及任何影響它的現象）和它們自身的引力之間的競爭塑造的特徵。在我們的宇宙中，這場拔河比賽中的任何一方都不是絕對占主導地位的。如果暗能量更強，膨脹就會獲勝，物質就會分散開來，而不是集中在細絲中。如果暗能量較弱，物質就會比現在更加集中。
當你繼續放大併到達星系和星系團的尺度時，情況變得更加複雜。星系，包括我們自己的銀河系，不會隨著時間推移而膨脹。它們的大小受到引力以及構成它們的恆星、氣體和其他物質的角動量之間的平衡控制；它們僅透過從星系際空間吸積新物質或與其他星系合併而增長。宇宙膨脹對它們的影響微不足道。因此，暗能量是否應該對星系的形成產生任何影響，這一點根本不明顯。星系團也是如此，星系團是宇宙中最大的連貫天體——由數千個星系組成的集合，嵌入在廣闊的熱氣體雲中，並透過引力結合在一起。
然而，現在看來，暗能量可能是星系和星系團形成中幾個方面之間的關鍵聯絡，而這些方面在不久前似乎還毫不相關。原因是這些系統的形成和演化部分受到星系之間相互作用和合並的驅動，而星系之間的相互作用和合並又可能受到暗能量的強烈驅動。
為了理解暗能量對星系形成的影響，首先考慮天文學家如何看待星系形成。當前的理論基於物質有兩種基本型別的觀點。首先，是普通物質，其粒子很容易相互作用並與電磁輻射相互作用。天文學家將這種型別的物質稱為“重子”物質，指的是其主要成分重子，例如質子和中子。其次，是暗物質（與暗能量不同），它佔所有物質的85%，其顯著特性是它由不與輻射反應的粒子組成。在引力方面，暗物質的行為與普通物質完全相同。
根據模型，暗物質在大爆炸後立即開始聚集，形成各種形狀的團塊，天文學家將其稱為“暈”。相比之下，重子最初由於它們彼此之間以及與輻射的相互作用而無法聚集。它們保持在熱氣態階段。隨著宇宙膨脹，這種氣體冷卻，重子能夠聚集在一起。第一批恆星和星系在大爆炸後數億年內從這種冷卻的氣體中凝聚出來。它們不是在隨機位置物質化的，而是在已經形成的暗物質暈的中心物質化的。
自1980年代以來，許多理論家對這一過程進行了詳細的計算機模擬，包括由德國加興的馬克斯·普朗克天體物理研究所的西蒙·D·M·懷特和英國杜倫大學的卡洛斯·S·弗倫克領導的小組。他們已經表明，大多數最早的結構是小的、低質量的暗物質暈。由於早期宇宙非常稠密，這些低質量的暈（以及它們包含的星系）彼此合併，形成更大質量的系統。透過這種方式，星系的構建是一個自下而上的過程，就像用樂高積木建造一個娃娃屋一樣。（另一種選擇是自上而下的過程，在這種過程中，你從娃娃屋開始，然後將其砸碎以製造積木。）我和我的同事一直在努力透過觀察遙遠的星系以及它們如何在宇宙時間中合併來檢驗這些模型。
星系形成逐漸停止
詳細研究表明，當一個星系與另一個星系合併時，它會變形。我們能看到的最早的星系存在於宇宙大約十億歲時，而這些星系中的許多星系確實似乎正在合併。然而，隨著時間的推移，大質量星系的融合變得越來越不常見。在大爆炸後的20億到60億年之間——也就是說，在宇宙歷史的前半段——正在經歷合併的大質量星系的比例從一半下降到略低於1%。從那時起，星系形狀的分佈就被凍結了，這表明撞擊和合並變得相對罕見。
事實上，在今天的宇宙中，完全有98%的大質量星系要麼是橢圓星系，要麼是旋渦星系——這些形狀和結構會被合併破壞。這些星系是穩定的，並且主要由老恆星組成，這告訴我們它們一定形成得很早，並且在相當長一段時間內保持著規則的形態。現在有一些星系正在合併，但它們通常質量較低。
虛擬的合併停止並不是宇宙自其當前年齡的一半以來就失去活力的唯一方式。恆星形成也在衰退。今天存在的大多數恆星都誕生於宇宙歷史的前半段，正如包括西蒙·J·莉莉（當時在多倫多大學）、皮耶羅·馬道（當時在太空望遠鏡科學研究所）和查爾斯·C·斯泰德爾（加州理工學院）領導的幾個團隊在1990年代首次令人信服地證明的那樣。最近，研究人員已經瞭解了這種趨勢是如何發生的。事實證明，大質量星系中的恆星形成很早就停止了。自從宇宙達到其當前年齡的一半以來，只有輕型系統才繼續以顯著的速度創造恆星。恆星形成的這種轉變被稱為星系縮小[參見艾米·J·巴格爾的“宇宙的中年危機”；《大眾科學》，2005年1月]。這似乎是自相矛盾的，也是星系外天文學中最大的謎團之一。理論預測，小星系首先形成，並且隨著它們的合併，大質量星系出現。然而，恆星形成的歷史表明情況恰恰相反：大質量星系最初是主要的恆星誕生地，然後較小的星系接管。
另一個奇怪之處是，在星系中心發現的超大質量黑洞的積累似乎也大大減緩了。這種黑洞為類星體和其他型別的活動星系提供動力，這些星系在現代宇宙中很少見；我們星系和其他星系中的黑洞是靜止的。星系演化中的這些趨勢是否相關？暗能量真的可能是根本原因嗎？
暗能量的穩定控制
一些天文學家提出，星系內部過程，例如黑洞、超新星和恆星風釋放的能量，關閉了星系和恆星的形成。但是，暗能量可能已成為更根本的罪魁禍首，它可以將一切聯絡在一起。核心證據是大多數星系、黑洞和星系團形成的結束與暗能量的主導地位開始之間的時間大致重合。兩者都發生在宇宙大約達到其當前年齡的一半時。
這個想法是，在宇宙歷史的那個時期之前，物質的密度非常高，以至於星系之間的引力支配了暗能量的影響。星系擦肩而過，彼此相互作用並頻繁合併。當星系內的氣體雲碰撞時，新的恆星形成，當氣體被驅動到這些系統的中心時，黑洞增長。隨著時間的推移和空間的膨脹，物質變稀，其引力減弱，而暗能量的強度保持不變或增加。兩者之間平衡的不可避免的轉變最終導致膨脹率從減速轉變為加速。星系所在的結構隨後被拉開，結果導致星系合併率逐漸降低。同樣，星系際氣體更難落入星系。由於燃料匱乏，黑洞變得更加靜止。
這個序列或許可以解釋星系種群的縮小。最大質量的暗物質暈及其嵌入的星系也是最集中的；它們靠近其他大質量暈。因此，它們可能比低質量系統更早撞擊它們的鄰居。當它們這樣做時，它們會經歷一次恆星形成爆發。新形成的恆星發光，然後爆炸，加熱氣體並阻止其塌縮成新的恆星。透過這種方式，恆星形成會自我扼殺：恆星加熱了它們從中出現的氣體，阻止了新恆星的形成。這種星系中心的黑洞充當了恆星形成的另一個阻尼器。星系合併將氣體送入黑洞，導致黑洞噴射出射流，加熱系統中的氣體並阻止其冷卻形成新的恆星。
顯然，一旦大質量星系中的恆星形成停止，它就不會再次開始——很可能是因為這些系統中的氣體耗盡或變得太熱以至於無法足夠快地冷卻下來。這些大質量星系仍然可以彼此合併，但是由於缺乏冷氣體，很少有新的恆星出現。隨著大質量星系停滯不前，較小的星系繼續合併並形成恆星。結果是，大質量星系在較小的星系之前形成，正如觀察到的那樣。暗能量可能透過決定星系叢集的程度和合並的速率來調節這一過程。
暗能量還可以解釋星系團的演化。當宇宙年齡不到現在的一半時發現的古代星系團已經像今天的星系團一樣龐大。也就是說，在過去的60億到80億年中，星系團的增長量並不大。這種缺乏增長表明，自從宇宙大約達到其當前年齡的一半以來，星系向星系團的下落受到了限制——這直接表明暗能量正在影響星系在大尺度上的相互作用方式。天文學家早在1990年代中期就知道，星系團在過去的80億年中增長不多，他們將此歸因於物質密度低於理論論證預測的密度。暗能量的發現有助於解決觀測與理論之間的緊張關係。
暗能量如何改變星系團歷史的一個例子是我們附近星系中星系的命運，即所謂的本星系群。幾年前，天文學家認為銀河系及其最近的大鄰居仙女座及其衛星隨從最終將墜入附近的室女座星系團。但是，現在看來我們將逃脫那種命運，並且永遠不會成為大型星系團的一部分。暗能量將導致我們與室女座星系團之間的距離膨脹速度快於本星系群可以穿過的速度。
透過限制星系團的發展，暗能量還控制著星系團內星系的組成。星系團環境促進了各種星系的形成，例如所謂的透鏡星系、巨橢圓星系和矮橢圓星系。透過調節星系加入星系團的能力，暗能量決定了這些星系型別的相對丰度。
這是一個很好的故事，但這是否真實？星系合併、黑洞活動和恆星形成都隨著時間推移而減少，並且很可能它們在某種程度上是相關的。但是，天文學家尚未跟蹤事件的完整順序。哈勃太空望遠鏡、錢德拉X射線天文臺以及靈敏的地面成像和光譜學進行的持續調查可能會在未來幾年內提供答案。一種方法是對遙遠的活動星系進行良好的普查，並確定這些星系上次經歷合併的時間。分析將需要開發新的理論工具，但應該在不久的將來可以掌握。
取得平衡
一個由暗能量主導的加速膨脹的宇宙是產生星系種群中所有觀測到的變化的自然方式——即合併的停止及其許多必然結果，例如劇烈的恆星形成的喪失和星系變態的結束。如果暗能量不存在，星系合併可能會持續比實際更長的時間，並且今天的宇宙將包含更多具有老恆星種群的大質量星系。同樣，它將擁有更少的低質量系統，並且像我們銀河系這樣的旋渦星系將很少見（因為旋渦星系無法在合併過程中倖存下來）。星系的大尺度結構將更加緊密地結合在一起，並且會發生更多的結構合併和吸積。
相反，如果暗能量比現在更強，宇宙的合併會更少，因此大質量星系和星系團也會更少。旋渦星系和低質量矮不規則星系將更加常見，因為在整個時間裡發生的星系合併會更少，並且星系團的質量會小得多，甚至可能根本不存在。恆星形成的也可能更少，並且我們宇宙中更高比例的重子質量仍將處於氣態。
儘管這些過程可能看起來離我們地球上的生活很遙遠，但星系的形成方式對我們自身的存在有影響。恆星是產生比鋰更重的元素所必需的，這些元素用於建造類地行星和生命。如果較低的恆星形成率意味著這些元素沒有大量形成，那麼宇宙將不會有許多行星，生命本身可能永遠不會出現。透過這種方式，暗能量可能對宇宙的許多不同且看似不相關的方面產生了深遠的影響，甚至可能對我們自己星球的詳細歷史產生了深遠的影響。
暗能量的工作遠未完成。它可能看起來對生命有利：加速將防止最終的坍縮，這是不久前天文學家擔心的問題。但是暗能量帶來了其他風險。至少，它拉開了遙遠星系的距離，使它們後退得如此之快，以至於我們永遠失去了它們的蹤跡。空間正在清空，使我們的星系及其附近的鄰居成為一個日益孤立的島嶼。星系團、星系甚至漂浮在星系際空間中的恆星最終將擁有一個有限的引力影響範圍，該範圍不會比它們自身的個體大小大多少。
更糟糕的是，暗能量可能正在演化。一些模型預測，如果暗能量隨著時間的推移變得越來越占主導地位，它將撕裂引力束縛的天體，例如星系團和星系。最終，地球將被從太陽中剝離並撕碎，以及地球上的所有物體。甚至原子也會被摧毀。曾經在物質陰影下鑄造的暗能量，將進行最後的報復。