編者注： 這篇文章最初刊登在2004年2月的《大眾科學》雜誌上。我們重新發布這篇文章是因為作者亞當·里斯被麥克阿瑟基金會選為2008年麥克阿瑟研究員。
從艾薩克·牛頓時代到20世紀90年代末，引力的定義特徵是其吸引力。引力使我們腳踏實地。它減緩了棒球的上升速度，並將月球保持在繞地球的軌道上。引力阻止我們的太陽系分崩離析，並將巨大的星系團聚集在一起。儘管愛因斯坦的廣義相對論允許引力既可以推也可以拉，但大多數物理學家認為這純粹是一種理論上的可能性，與今天的宇宙無關。直到最近，天文學家還完全期望看到引力減緩宇宙的膨脹。
然而，在1998年，研究人員發現了引力的排斥面。透過仔細觀察遙遠的超新星——恆星爆炸在短暫的時間內像100億個太陽一樣明亮——天文學家發現它們比預期的要暗淡。對這種差異最合理的解釋是，來自數十億年前爆炸的超新星的光傳播的距離比理論學家預測的要遠。反過來，這種解釋導致了宇宙膨脹實際上正在加速而不是減速的結論。這是一個如此激進的發現，以至於一些宇宙學家認為，超新星亮度的下降是其他效應的結果，例如星系際塵埃使光線變暗。然而，在過去的幾年裡，天文學家透過研究越來越遙遠的超新星，鞏固了宇宙加速的案例。
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但是宇宙膨脹在宇宙的整個生命週期中一直在加速，還是隻是一個相對較新的發展——也就是說，發生在過去五十億年左右？答案具有深遠的意義。如果科學家發現宇宙的膨脹一直在加速，他們將不得不徹底修改他們對宇宙演化的理解。但是，如果像宇宙學家預期的那樣，加速被證明是一個近期現象，研究人員或許可以通過了解膨脹何時以及如何開始加速來確定其原因——並可能回答關於宇宙命運的更大的問題。
巨人之戰
大約75年前，天文學家埃德溫·哈勃透過觀察到其他星系正在遠離我們，發現了宇宙的膨脹。他注意到，更遙遠的星系比附近的星系後退得更快，這符合現在被稱為哈勃定律（相對速度等於距離乘以哈勃常數）的定律。在愛因斯坦廣義相對論的背景下，哈勃定律的出現是因為空間的均勻膨脹，這僅僅是宇宙尺寸的放大。
在愛因斯坦的理論中，引力作為一種吸引力的概念仍然適用於所有已知形式的物質和能量，即使在宇宙尺度上也是如此。因此，廣義相對論預測，宇宙的膨脹應該以宇宙中物質和能量密度決定的速率減速。但是，廣義相對論也允許存在具有奇異性質的能量形式，這些能量形式會產生排斥引力。加速而不是減速膨脹的發現顯然揭示了這種能量形式的存在，它被稱為暗能量。
膨脹是減速還是加速取決於兩個巨人之間的戰鬥：物質的吸引引力和暗能量的排斥引力推力。在這場較量中重要的是各自的密度。物質的密度隨著宇宙的膨脹而降低，因為空間的體積增加了。（只有一小部分物質以發光恆星的形式存在；大部分被認為是暗物質，它不會以明顯的方式與普通物質或光相互作用，但具有吸引引力。）雖然對暗能量知之甚少，但預計其密度隨著宇宙的膨脹變化緩慢或根本不變。目前，暗能量的密度高於物質的密度，但在遙遠的過去，物質的密度應該更高，因此當時的膨脹應該已經減速。
宇宙學家還有其他理由期望宇宙的膨脹並非一直加速。如果一直是這樣，科學家將無法解釋今天在宇宙中觀察到的宇宙結構的存在。根據宇宙學理論，星系、星系團和更大的結構是從早期宇宙物質密度的小不均勻性演化而來的，這些不均勻性透過宇宙微波背景（CMB）溫度的變化來揭示。物質過密區域更強的吸引引力阻止了它們的膨脹，使它們能夠形成引力束縛的物體——從像我們自己的星系到巨大的星系團。但是，如果宇宙的膨脹一直加速，它就會在結構組裝之前將它們拉開。此外，如果膨脹一直在加速，早期宇宙的兩個關鍵方面——CMB變化的模式和宇宙大爆炸後幾秒鐘產生的輕元素的丰度——將與目前的觀測結果不符。
然而，重要的是尋找早期減速膨脹階段的直接證據。這樣的證據將有助於證實標準的宇宙學模型，併為科學家提供關於當前宇宙加速時期根本原因的線索。由於望遠鏡在收集來自遙遠恆星和星系的光時會回顧過去，天文學家可以透過關注遙遠的物體來探索宇宙的膨脹歷史。這段歷史被編碼在星系的距離和後退速度之間的關係中。如果膨脹正在減速，遙遠星系的速度將相對大於哈勃定律預測的速度。如果膨脹正在加速，遙遠星系的速度將低於預測值。或者，換句話說，如果宇宙正在加速，具有給定後退速度的星系將比預期的更遠——因此更暗淡。
超新星搜尋
要利用這個簡單的事實，需要找到具有已知固有光度——物體每秒產生的輻射量——並且可以在整個宇宙中看到的的天文物體。一類稱為Ia型超新星的特殊超新星非常適合這項任務。這些恆星爆炸非常明亮，地面望遠鏡可以從可見宇宙的一半處看到它們，哈勃太空望遠鏡可以從更遠的地方看到它們。在過去的十年中，研究人員仔細校準了Ia型超新星的固有光度，因此可以根據其視亮度確定到其中一顆爆炸的距離。
天文學家可以透過測量超新星所在星系的光的紅移來推斷超新星的後退速度。來自後退物體的輻射會向更長的波長移動；例如，當宇宙是現在大小的一半時發出的光將波長加倍並變得更紅。透過測量大量位於不同距離的超新星的紅移和視亮度，研究人員可以建立宇宙膨脹的記錄。
不幸的是，Ia型超新星非常罕見，在像銀河系這樣的星系中平均每幾個世紀才發生一次。超新星搜尋者使用的技術是反覆觀察包含數千個星系的空域，然後比較影像。在一張影像中出現但在之前的影像中沒有出現的瞬時光點可能是一顆超新星。1998年顯示宇宙加速證據的結果是基於兩個團隊對超新星的觀測，這些超新星在宇宙大約是現在大小的三分之二時爆炸，大約在五十億年前。
然而，一些科學家想知道，這些團隊是否正確地解釋了來自超新星的資料。除了宇宙加速之外，是否還有其他效應可能導致超新星看起來比預期的更暗淡？填充星系際空間的塵埃也可能使超新星顯得暗淡。或者，也許古代超新星天生就更暗淡，因為宇宙的化學成分與今天不同，核反應在恆星中產生的重元素丰度較小。
幸運的是，有一個很好的測試競爭假設的方法。如果超新星看起來比預期的更暗淡是因為天體物理學原因，例如普遍存在的塵埃屏障，或者因為過去的超新星天生就更暗淡，那麼推測的變暗效應應該隨著物體的紅移而增加。但是，如果變暗是近期宇宙加速的結果，而宇宙加速是在早期減速時代之後發生的，那麼來自減速時期的超新星將顯得相對更亮。因此，對宇宙小於現在大小的三分之二時爆炸的超新星的觀測可以提供證據來表明哪個假設是正確的。（當然，可能存在一種未知的星體物理現象，可以精確地匹配加速和減速的效應，但科學家通常不贊成這種人為調整的解釋。）
然而，找到如此古老和遙遠的超新星是困難的。當宇宙是現在大小的一半時爆炸的Ia型超新星大約只有天空中最亮的恆星天狼星的百億分之一那麼亮。地面望遠鏡無法可靠地探測到這些物體，但哈勃太空望遠鏡可以。2001年，我們中的一位（里斯）宣佈，太空望遠鏡在重複觀測中意外地拍攝到了一顆極其遙遠的Ia型超新星（稱為SN 1997ff）。鑑於來自這顆恆星爆炸的光的紅移——它發生在約100億年前，當時宇宙是目前大小的三分之一——該物體比塵埃宇宙假設為真時應該出現的亮度要亮得多。這個結果是減速時代的首個直接證據。我們兩人提出，對更多高紅移超新星的觀測可以提供確鑿的證據，並確定從減速到加速的過渡點。
先進巡天照相機是2002年安裝在太空望遠鏡上的新型成像儀器，它使科學家能夠將哈勃望遠鏡變成一臺超新星搜尋機器。里斯領導了一項努力，透過搭載偉大的天文臺起源深空巡天來發現所需的大量非常遙遠的Ia型超新星樣本。該團隊發現了六顆在宇宙小於現在大小的一半時爆炸的超新星（超過70億年前）；連同SN 1997ff，這些是迄今為止發現的最遙遠的Ia型超新星。觀測證實了早期減速階段的存在，並將減速和加速之間的過渡“海岸線”置於大約五十億年前。這一發現與理論預期相符，因此令宇宙學家感到欣慰。宇宙加速是一個驚喜，也是一個需要解決的新難題，但它並沒有那麼令人驚訝，以至於讓我們重新思考我們對宇宙的許多理解。
我們的宇宙命運
古代超新星也為暗能量提供了新的線索，暗能量是宇宙加速的根本原因。解釋暗能量效應的主要候選者是真空能量，它在數學上等同於愛因斯坦在1917年發明的宇宙常數。因為愛因斯坦認為他需要模擬一個靜態宇宙，所以他引入了他的“宇宙學微調因子”來平衡物質的吸引引力。在這個配方中，常數的密度是物質密度的一半。但是，為了產生觀測到的宇宙加速，常數的密度必須是物質密度的兩倍。這種能量密度可能來自哪裡？量子力學的不確定性原理要求真空充滿借用時間和能量存在的粒子，它們會突然出現又消失。但是，當理論家試圖計算與量子真空相關的能量密度時，他們得出的值至少高出55個數量級。如果真空能量密度真的那麼高，宇宙中的所有物質都會瞬間飛散，星系永遠不會形成。
這種差異被稱為理論物理學中最糟糕的尷尬，但它實際上可能是巨大機遇的標誌。儘管新的嘗試來估計真空能量密度可能會產生恰好可以解釋宇宙加速的量，但許多理論家認為，正確的計算，結合新的對稱性原理，將導致量子真空相關的能量為零的結論。（即使是量子虛無也一無所有！）如果這是真的，那麼一定是其他東西導致宇宙膨脹加速。
理論家提出了各種各樣的想法，從額外的、隱藏維度的影響到與自然界的新場相關的能量，有時稱為第五元素。一般來說，這些假設假設暗能量密度不是恆定的，並且通常隨著宇宙的膨脹而降低。（但是，也提出了暗能量密度實際上隨著宇宙膨脹而增加的建議。）也許最激進的想法是沒有暗能量，而是必須修改愛因斯坦的引力理論。
由於暗能量密度的變化方式取決於理論模型，因此每個理論都預測了宇宙膨脹從減速變為加速的過渡點的不同時間。如果暗能量密度隨著宇宙的膨脹而降低，那麼轉換點發生的時間將比假設恆定暗能量密度的模型更早。即使是修改引力的理論模型也會在轉換時間上產生可辨別的特徵。最新的超新星結果與假設恆定暗能量密度的理論相符，但它們也與大多數假設暗能量密度變化的模型相符。只有規定暗能量密度大幅變化的理論被排除在外。
為了縮小理論可能性的範圍，哈勃太空望遠鏡正在繼續收集超新星資料，這些資料可以精確確定過渡階段的細節。儘管太空望遠鏡仍然是探測宇宙膨脹早期歷史的唯一手段，但十幾個以上的地面專案正試圖提高近期宇宙加速測量的精度，以充分揭示暗能量的物理學特性。最雄心勃勃的專案是由美國能源部和NASA提出的聯合暗能量任務（JDEM）。JDEM是一架兩米寬視場的太空望遠鏡，專門用於發現和精確測量數千顆Ia型超新星。超新星搜尋者希望看到JDEM在下一個十年初發射；在那之前，他們將不得不依靠哈勃望遠鏡來探測最遙遠的恆星爆炸。
解開宇宙加速之謎將揭示我們宇宙的命運。如果暗能量密度是恆定的或隨時間增加的，那麼在大約1000億年後，除了幾百個星系外，所有星系都將紅移得太遠而無法看到。但是，如果暗能量密度降低並且物質再次占主導地位，我們的宇宙視界將擴大，揭示更多的宇宙。甚至可能出現更極端（和致命）的未來。如果暗能量密度上升而不是下降，宇宙最終將經歷“超速加速”，這將按順序撕裂星系、太陽系、行星和原子核。或者，如果暗能量密度降至負值，宇宙甚至可能會重新坍縮。預測我們宇宙未來的唯一方法是弄清楚暗能量的本質。