想象一下你正坐在剛剛爆炸的煙花的中心。在最初的閃光和熱浪之後，火花向四面八方飛濺，有些匯聚成火紅的絲狀物，另一些則迅速消逝在冰冷的灰燼中。片刻之後，剩下的只有煙霧——如果你願意的話，那是煙花大爆炸的迴響。
現在想象一下，煙花是宇宙，科學家認為宇宙起源於類似的爆炸。煙花的膨脹是由化學反應推動的，而宇宙的膨脹則來自空曠空間本身的能量。從我們所處的位置來看，宇宙似乎正在向四面八方膨脹，而且每時每刻都在加速。
今年春天，科學家宣佈煙花出了問題。自發現暗能量（這種神秘的力量正在加速我們的宇宙煙花表演）以來，宇宙學家首次認為我們可能正處於新發現的邊緣。兩項旨在測量這種力量性質的著名暗能量調查發現，有證據表明暗能量似乎隨著時間的推移而減弱。
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“如果這是真的，那將是一件大事，”西班牙巴塞羅那大學宇宙科學研究所的理論宇宙學家、報告這一異常現象的合作團隊成員莉西亞·維德說。“但像往常一樣，非凡的主張需要非凡的證據。”
暗能量被認為是宇宙中一種恆定的力量，像時間的前進一樣不變和可靠。如果新的結果是正確的，那麼它終究是可變的。“這非常重要，”普林斯頓大學的宇宙學家保羅·J·斯坦哈特說，他沒有參與這項資料研究，並補充說，只有當結果經得起推敲時，這才是真的。“但這仍然處於早期階段。”
這一訊息基於兩項暗能量研究的結合，分別稱為暗能量調查 (DES) 和暗能量光譜儀器 (DESI)，以及第三組預先存在的資料。DES 測量遙遠的超新星，而 DESI 實驗測量星系和來自早期宇宙的聲波。第三個組成部分測量宇宙微波背景 (CMB)——宇宙煙花的菸圈。
DES 在二月份釋出了新的發現，而 DESI 在四月份釋出了新穎的結果。DESI 資料生成了宇宙的詳細三維地圖。它表明，如果暗能量的作用在宇宙時間中是不變的，那麼星系之間的擴散程度似乎比應有的要小。
DESI 望遠鏡位於亞利桑那州基特峰，測量了存在於 120 億至 20 億年前的數百萬個星系的位置。天文學家將這些觀測到的星系位置與基於暗能量預測的星系預期位置進行了比較，發現缺乏預期的擴散。
當宇宙學家將 DESI 星系、DES 的超新星和宇宙微波背景結合起來時，更大的驚喜出現了。現實地圖開始偏離理論。
理論家們一直在熱議：如果結果是真的，那麼宇宙學的一個基石假設就是不正確的。科學家可能不得不拋棄暗能量是“宇宙學常數”（宇宙的靜態元素）的普遍觀點。
“如果宇宙學常數是錯誤的，那麼關於什麼是正確的就都說不準了，”約翰·霍普金斯大學的宇宙學家亞當·G·里斯說，他因發現暗能量而分享了 2011 年諾貝爾物理學獎，但沒有參與新的研究結果。
要理解哪裡出了問題，我們必須回到阿爾伯特·愛因斯坦。當他構建他的廣義相對論時，他假設宇宙是均勻分佈且靜止的。這個想法在 1917 年是大膽的，那時我們甚至不知道有其他星系，而且證據表明恆星分佈不均勻。但在愛因斯坦的方程中，引力和均勻性無法共存。引力會導致不穩定。如果引力在一個彎曲的宇宙中占主導地位，那麼宇宙中的一切都應該聚集在一起形成一個巨大的斑點——但事實並非如此。愛因斯坦認為，一定存在某種宇宙力量在對抗引力，他稱之為“宇宙學常數”，並用希臘字母 Lambda 來描述它。然而，在 1929 年，埃德溫·哈勃表明宇宙不是靜止的，而是在膨脹，因此愛因斯坦放棄了這個恆定的對抗力，稱之為他“最大的錯誤”。
1998 年，里斯以及加州大學伯克利分校的宇宙學家索爾·珀爾馬特和澳大利亞國立大學的布萊恩·P·施密特表明，愛因斯坦第一次是對的。研究人員發現，當宇宙還年輕時爆炸的超新星比預期的要暗淡，這意味著宇宙正在以越來越快的速度向外膨脹，大概是因為一種無處不在且不變的力量。宇宙學常數被重新啟用。科學家認為，常數背後的力量一定來自存在於空曠空間中的能量，他們稱之為真空能量或暗能量。在這種觀點中，隨著宇宙的膨脹，每個新產生的真空都帶有自己的真空能量，因此暗能量的總量會增加，導致宇宙膨脹繼續加速。（暗能量仍然是恆定的，因為雖然它的總量隨著宇宙的增長而增加，但每片空間中的能量——能量密度——是恆定的。）更重要的是，暗能量的恆定值是在大爆炸時設定的，然後從未減少過。砰，啪：宇宙在所有地方、所有時間都具有相同的內在能量。
自 20 世紀 90 年代末以來的所有觀測似乎都證實了這種情景。Lambda 現在是宇宙學標準模型的核心，該模型將暗能量與大量不可見的“冷暗物質” (CDM) 的引力結合在一起，稱為 Lambda-CDM。這種標準模型認為，大約 68% 的宇宙由暗能量構成，另外 27% 是暗物質，剩下的 5% 是我們能看到和測量到的一切：星系、恆星、鯨魚、我們。像 DESI 這樣的調查旨在足夠精確地測量暗能量，以瞭解它的怪癖。
儘管如此，並非所有人都對 Lambda-CDM 模型感到滿意。“這似乎是一系列非常奇怪的事情，”斯坦哈特說。“它唯一的好處是可以用一個數字來描述。但這並不意味著你應該相信它。如果事實證明暗能量是隨時間變化的，那就開啟了很多可能性。”
DESI 繪製了迄今為止我們宇宙中最大的 3D 地圖。地球位於這幅完整地圖的薄片中心。在放大區域中，很容易看到我們宇宙中物質的底層結構。
Claire Lamman/DESI 合作組織；cmastro 的自定義顏色圖包
自從 DESI 結果和組合 3D 地圖都在四月份釋出以來，理論家們變得越來越忙碌。到目前為止，還沒有任何單一理論可以用某種其他非常數的宇宙力量來取代 Lambda。甚至在新結果出現之前，一些宇宙學家就傾向於選擇恆定暗能量的替代方案，部分原因是這個想法太奇怪了——其他已知的力不是恆定的，而是隨時間、壓力和其他因素而變化——部分原因是 Lambda 在插入其他物理理論時是荒謬的。“在量子理論中，如果你計算空曠空間的能量，你不會得到一個合理的答案。你會得到無窮大，”芝加哥大學的宇宙學家約書亞·A·弗里曼說，他是 DES 的聯合創始人，旨在研究這個問題，但沒有參與新的 DESI 結果。“這是人們尋找替代方案的原因之一：我們不明白它為什麼會具有這個值。”
理論家們對新型暗能量有幾種想法，其中大多數都涉及類似流體的能量場，讓人聯想到賦予正常粒子質量的希格斯場。擬議的暗能量場通常被稱為“精質”，源於古代最初想象的第五元素。這種能量場（也稱為標量場）可以通過幾種方式發揮作用。它會產生我們能看到的相同結果——星系彼此分離，以及一個明顯膨脹的空曠畫布供我們觀察——但不同之處在於宇宙力量是暫時的，而不是永恆不變的。
一些理論家喜歡精質，因為他們已經在研究標量場的潛在早期版本，稱為宇宙暴脹。這個場本應在大爆炸之後立即影響宇宙，推動宇宙呈指數級膨脹，然後最終平靜下來，並以較慢的速度繼續加速。根據里斯的說法，作為現代暗能量基礎的標量場就像“輕量級暴脹”。宇宙的物理空間中存在能量的地方，宇宙就會加速。暗能量場將異常微弱，比希格斯場輕約 30 個數量級。而且它會像暴脹一樣是暫時的。
弗里曼和他的合作者在 1995 年首次提出的一個流行的版本被稱為“解凍”或“緩慢滾動”暗能量。理論宇宙學家傑西·繆爾說，它對宇宙的影響與宇宙學常數的影響類似——在一定程度上。“它的作用就像空曠空間具有一些內在的能量密度，”她說，“但由於它在後來的宇宙中發生變化，你可以在稍後的時間獲得一些偏差。”
想象一下一個球從山的一側滾下，滾向一個淺 U 形山谷。如果沒有摩擦，球會滾到另一側，然後滾回並來回振盪。繆爾說，球代表場的勢能，它描述了相對於宇宙的密度或膨脹，移動該場的容易程度。這也是理解希格斯場的一種方式，物理學家認為希格斯場在早期宇宙中經歷了一些變化，然後才達到目前的穩定狀態。一個類似的但重得多的場可能驅動了宇宙暴脹。弗里曼說，如果暗能量以相同的方式工作，那麼它是有先例的。
“在我們唯一知道的加速案例 [暴脹] 中，我們知道它不是暗能量，不是常數。而是其他東西，”他說。“我一直覺得我們需要對驅動宇宙當前加速膨脹的因素保持開放的心態。”在弗里曼的這個理論版本中，你把球放在宇宙開始時山的一側。球最初被卡住，因為宇宙太稠密，無法快速滾動。隨著宇宙膨脹和物質稀釋，球可以開始滾動。這被稱為“解凍”暗能量模型，因為球解凍並開始移動。“這就像暗能量一樣運作，但暗能量對宇宙膨脹的影響與它完全恆定時的影響不同，”弗里曼說。“而且它看起來可能與 DESI 和暗能量調查以及 CMB 資料的最新結果似乎表明的完全一樣。”
理論家們還在測試諸如“大反彈”（宇宙迴圈，大爆炸一次又一次地發生）以及廣義相對論的變體（引力在非常早期的宇宙或不同尺度上表現不同）等想法，以及其他可能性。
大量科學論文正在上傳到預印本伺服器 arXiv.org，宇宙學家們在那裡分享想法和前進道路。一切都擺在桌面上，從關於稱為中微子的粒子的質量的爭論到關於比較資料的最佳統計方法的討論。“我不會說目前有一個特定的模型似乎處於領先地位，”勞倫斯伯克利國家實驗室的宇宙學家、DESI 專案發言人娜塔莉·帕蘭克-德拉布魯耶說。“那裡有太多的假設，許多模型都可以擬合數據。這就是為什麼繼續前進很重要。”
未來一代新的天文臺將揭示暗能量——或其他任何驅動宇宙膨脹的力量。歐洲航天局運營的歐幾里得空間望遠鏡於去年發射，將工作到 2030 年，以繪製幾乎三分之一天空的地圖，繪製暗物質和暗能量。美國宇航局未來的南希·格雷斯·羅曼空間望遠鏡將測量超過十億個星系，以研究暗能量隨時間的變化。而 DESI 調查將持續到 2026 年。
為了推翻 Lambda，宇宙學家需要達到五西格瑪的置信度，這意味著結果是誤差或隨機機會造成的機率約為百萬分之一。到目前為止，DESI、DES 和來自普朗克衛星的宇宙微波背景結果顯示，機率為三西格瑪，這意味著偶然發生某事的機率約為 0.3%。雖然這聽起來像是強有力的證據，但三西格瑪的結果可能經不起推敲，因此五西格瑪的發現對於真正的發現是必要的。DESI 正在繼續其工作，但該團隊已經有另一年的星系資料要檢查，維德說她的同事們正吵著要看。“我工作到雙手都著火了，”她說。
繆爾也研究廣義相對論和不同尺度下的引力測試，她說宇宙的現狀將提供最好的線索。如果暗能量是像精質這樣的流體狀能量場，那麼模型將預測宇宙隨時間膨脹的方式與宇宙結構如何聚集在一起之間存在某種型別的關係。她說，宇宙學家可以尋找膨脹和增長之間的相關性，例如星系團的形成，以瞭解精質和超出廣義相對論的引力。
即使是參與 DESI 分析的維德也仍然懷疑 Lambda-CDM 會被推翻。“我真的很保守，但對於我是否願意僅僅基於此而將恆定暗能量扔出窗外——還不行，”她說。“現在我們需要繼續觀察它並更好地理解它。”
許多宇宙學家都在密切關注，但還沒有為 Lambda 唱輓歌，里斯說。斯坦哈特認為，系統性誤差可能在新發現中發揮作用，尤其是在結合三種不同型別的資料以得出一個全面的結論時。“每個人都在盡力而為，但你應該以很大的懷疑態度對待它，”他說。
如果 Lambda 存在，在某些方面，那將是一個非常無聊的結果——也是一個哲學上具有挑戰性的結果。宇宙的未來將是寒冷、空曠、遙遠和寂靜的。膨脹將永遠加速，直到原子本身被拉伸得如此稀薄，以至於它們的中心將無法保持，然後它們就會解體。
但也許未來比那更光明，弗里曼說。“來自 DESI 和 DES 的這些暗示告訴我們繼續前進，”他補充道。