天體物理學中最令人震驚的發現已有 25 年曆史

在 1994 年初的某個下午，兩位天文學家坐在智利拉塞雷納沿海城鎮的天文臺總部的一間空調計算機房裡聊天。塞羅託洛洛美洲際天文臺的副天文學家尼古拉斯·桑特澤夫和最近在哈佛-史密森天體物理中心完成博士論文的布萊恩·施密特是超新星——爆炸恆星方面的專家。桑特澤夫和施密特認為，最終是時候利用他們的專業知識來解決宇宙學中的一個基本問題了：宇宙的命運是什麼？

具體來說，在一個充滿物質、引力吸引所有其他物質的宇宙中，邏輯表明，空間膨脹——始於大爆炸並一直持續至今——將會減速。但會減速多少？剛好足以讓膨脹最終達到永恆的靜止狀態？還是會減速到膨脹最終會以一種掉頭式的大爆炸逆轉自身？

他們抓起最近的藍色和灰色 IBM 列印紙，翻過來開始潦草地寫下一個計劃：要確保的天文望遠鏡、要招募的同行、要委派的職責。

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與此同時，在太平洋沿岸 9,600 公里外的加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室，一個由物理學家索爾·珀爾馬特領導的合作組織已經在追求相同的目標，使用相同的超新星方法並依賴相同的基本邏輯。桑特澤夫和施密特知道珀爾馬特的超新星宇宙學專案 (SCP)。但他們也知道 SCP 團隊主要由物理學家組成，他們像珀爾馬特本人一樣，正在邊做邊學天文學。施密特和桑特澤夫互相安慰說，一支真正的天文學家團隊肯定能趕上。

他們的團隊確實及時趕上了。1998 年，競爭對手的合作組織獨立地就宇宙膨脹減速的程度達成了相同的結論：它並沒有減速。它正在加速。

去年是發現“暗能量”證據 25 週年——“暗能量”是驅動加速的任何事物的代名詞，即使在當時也幾乎一無所知，但卻幾乎包含了一切。這個名稱幾乎是一個笑話，而笑話的物件是我們自己。如果暗能量是真實的，它將構成宇宙中所有質量和能量的三分之二——也就是說，占人們從文明曙光時期開始一直認為的宇宙整體的三分之二。然而，宇宙的三分之二是什麼仍然是一個謎。

四分之一個世紀後，這個總結仍然適用。但這並不是說科學沒有取得任何進展。幾十年來，觀測者收集了越來越多的令人信服的暗能量存在證據，這項努力繼續推動著觀測宇宙學的重要組成部分，同時激發了越來越巧妙的方法來（如果不能探測到）至少定義它。但從一開始——在 1998 年最初幾個月——理論家們就認識到，暗能量提出了一個比宇宙命運更緊迫的關乎生存的問題：物理學的未來。

自艾薩克·牛頓提出萬有引力定律以來，一個充滿物質、引力吸引所有其他物質的宇宙為什麼還沒有坍縮到自身的問題，至少一直困擾著天文學。1693 年，在他出版《原理》僅六年之後，牛頓向一位詢問的牧師承認，假設一個處於永恆平衡狀態的宇宙，就像讓“不僅一根針，而且無數根針（數量與無限空間中的粒子一樣多）精確地平衡在針尖上。但我承認這是可能的，”他立即補充道，“至少是透過神力。”

已故的斯蒂芬·霍金在 1999 年為《原理》的新譯本所作的介紹中寫道：“對於理論物理學來說，這是一個巨大的錯失良機。”“牛頓本可以預測宇宙的膨脹。”

愛因斯坦也是如此。1917 年，當他將他的廣義相對論方程應用於宇宙學時，他面臨著與牛頓相同的問題。然而，與牛頓不同的是，愛因斯坦在方程中新增的不是神力，而是希臘字母 lambda (Λ)，這是一個任意的數學簡寫，代表任何保持宇宙完美平衡的東西。

接下來的十年，天文學家埃德溫·哈勃透過他的雙重發現，似乎使 lambda 變得多餘：除了我們自己的銀河系之外，還存在其他“島宇宙”，或星系，並且總的來說，這些星系似乎以相當直接的方式遠離我們：越遠，速度越快——就好像宇宙可能起源於一次爆炸性事件。1964 年，支援大爆炸理論的證據的發現立即將宇宙學從形而上學提升為硬科學。僅僅六年之後，在《今日物理》雜誌上的一篇論文中，天文學家（以及曾經的哈勃門生）艾倫·桑德奇為一代人設定了議程，他將大爆炸宇宙學的科學定義為“尋找兩個數字”。一個數字是“現在的膨脹率”。第二個數字是“隨著時間的推移膨脹的減速”。

幾十年過去了，對第二個數字的第一次真正調查才開始進行，但兩個合作組織或多或少同時開始研究它並非巧合。直到那時，技術和理論的進步才使尋找減速引數成為可能。

在 20 世紀 80 年代末和 90 年代初，天文學家收集光線的方式正在從模擬轉向數字——從可以收集大約 5% 的入射光子的照相底片，到光子收集率高達 80% 以上的電荷耦合器件。望遠鏡的光收集能力越大，它在宇宙中的視野就越深——而對宇宙空間和（因為光速是有限的）時間的越來越深的視野，正是宇宙膨脹率搜尋所需要的。

哈勃圖，正如宇宙學家所稱的哈勃用於確定宇宙正在膨脹的圖表，繪製了兩個值：星系顯然正在遠離我們的速度，在一個軸上，以及星系與我們的距離，在另一個軸上。

天文學家可以透過測量星系的光向電磁光譜可見部分的紅色端移動了多少（它們的“紅移”）來確定星系的速度——空間的拉伸將它們帶離我們的速度。

然而，確定它們與我們的距離更加棘手。這需要一個“標準燭光”——一類光輸出不變的物體。例如，一個 100 瓦的燈泡就是一個標準燭光。如果您知道它的絕對光度是 100 瓦，那麼您可以將平方反比定律應用於它的視光度——它在您當前距離處看起來有多亮——來計算它實際有多遠。

哈勃在他的圖表中使用的標準燭光是造父變星，一種以規則間隔變亮和變暗的恆星。但是，造父變星很難在超過 1 億光年的距離上探測到。試圖測量宇宙歷史中膨脹率的天文學家將需要一種他們可以從數十億光年之外觀察到的標準燭光——這種距離是電荷耦合器件探測器及其卓越的光子收集能力可以探測到的。

一種標準燭光的候選者在 20 世紀 80 年代末出現：Ia 型超新星，即白矮星從伴星吸積過多物質時發生的爆炸。邏輯似乎是合理的：如果爆炸的原因總是相同的，那麼效果——爆炸的絕對光度——也應該是相同的。然而，進一步的調查確定，效果並非統一；“新星”的視亮度和可見性消失的時間長度都因超新星而異。

然而，在 1992 年，塞羅託洛洛美洲際天文臺的另一位天文學家（以及桑特澤夫和施密特團隊的未來成員）馬克·菲利普斯認識到超新星的絕對光度與其視亮度從最初爆發到減弱的軌跡之間存在相關性：明亮的超新星逐漸衰減，而暗淡的超新星則突然衰減。因此，Ia 型超新星不是標準燭光，但也許它們可以標準化。

幾年來，珀爾馬特的 SCP 合作組織一直押注 Ia 型超新星是標準燭光。然而，在施密特和桑特澤夫——以及他們最終招募到他們稱之為高z合作組織（z 是天文紅移的簡寫）的成員之前，它們必須變得可以標準化，他們才能放心地將他們的職業生涯投入到測量減速引數中。

哈勃最初的圖表表明速度和距離之間存在直線相關性（“表明”是因為他的誤差條在今天無法透過同行評審）。20 世紀 90 年代的兩個團隊選擇在 x 軸上繪製紅移（速度），在 y 軸上繪製視星等（距離）。假設膨脹實際上正在減速，那麼在某個時刻，這條線將不得不偏離其 45 度直線剛性，向下彎曲以表明遙遠的物體比人們可能預期的更亮，因此更近。

從 1994 年到 1997 年，這兩個小組使用了地球上的主要望遠鏡，以及至關重要的太空中的哈勃望遠鏡，收集了數十顆超新星的資料，使他們能夠將哈勃圖擴充套件得越來越遠。到 1998 年的第一個星期，他們都發現了證據表明該線確實偏離了 45 度。但是這條線不是向下彎曲，而是向上彎曲，表明超新星比他們預期的要暗淡，因此膨脹不是減速而是加速——這個結論與地球不是宇宙中心一樣違反直覺，並且在它自己的意義上是革命性的。

然而，天體物理學界欣然接受了它。在發現後僅五個月的五月份，費米實驗室召開了一次會議來討論結果。在會議結束時的一次意向性投票中，三分之二的與會者——大約 60 人中的 40 人——投票表示他們願意接受證據並考慮“暗能量”的存在（這個術語是芝加哥大學理論宇宙學家邁克爾·特納在當年創造的，以致敬暗物質）。愛因斯坦的 lambda 似乎又回來了。

導 致迅速達成共識的一些因素是社會學的。兩個團隊獨立地得出了相同的結果，該結果與他們預期的相反，他們使用了主要不同的資料（不同的超新星資料集），並且社群中的每個人都認識到兩個團隊之間競爭的激烈程度。“他們最高的願望，”特納說，“是從另一個團隊那裡得到不同的答案。”

但是，至少在鞏固共識方面同樣具有說服力的一個因素是科學的：結果回答了宇宙學中的一些重大問題。一個宇宙怎麼可能比它最古老的恆星還要年輕？一個充滿超星系團等大型結構的宇宙，是如何如此早地成熟到達到宇宙學意義上的青春期，而它仍然是個蹣跚學步的孩子？

問題解決了！現在正在加速的膨脹意味著過去膨脹的速度較慢；因此，自大爆炸以來經過的時間比宇宙學家之前假設的要長。宇宙比科學家們想象的要古老：那個蹣跚學步的孩子畢竟是青少年。

但也許科學家們願意接受暗能量存在的最令人信服的原因是，它使宇宙加起來是完整的。多年來，宇宙學家一直在想知道為什麼宇宙的密度似乎如此之低。根據當時（以及今天）流行的宇宙學模型，宇宙經歷了“暴脹”，暴脹開始於大爆炸後約 10⁻³⁶ 秒（也就是說，在小數點後開始並以 35 個零和一個 1 結尾的秒的分數處），並在大爆炸後大約 10⁻³³ 秒結束。在過渡時期，宇宙的尺寸增加了 10²⁶ 倍。

因此，暴脹會“平滑”空間，使宇宙看起來在所有方向上大致相同，就像我們看到的那樣，無論您身在何處。用科學術語來說，宇宙應該是平坦的。而平坦宇宙決定了其實際質量-能量密度與使其免於坍縮所需的密度之間的比率應為 1。

在 1998 年之前，觀測表明宇宙的組成遠未達到這個臨界密度。它可能只有三分之一。其中一部分將以重子的形式存在，即質子和中子——你、我和我們的筆記型電腦，以及行星、星系和望遠鏡可以訪問的所有東西的構成。但大部分將以暗物質的形式存在，暗物質是宇宙的一個組成部分，在電磁光譜的任何部分都無法被望遠鏡訪問，但正如天文學家自 20 世紀 70 年代以來所理解的那樣，可以透過間接方式探測到，例如透過引力效應對星系旋轉速率的影響。暗能量將完成這個方程：它對質量-能量密度的貢獻確實將在三分之二的範圍內，剛好足以達到臨界密度。

儘管如此，社會學影響和專業偏好並不是科學方法的一部分。（好吧，它們是，但那是另一個討論。）天文學家需要知道，經驗證據在哪裡？事實證明，到處都是。

計算宇宙構成的一種方法是研究宇宙微波背景 (CMB)，這是 1964 年發現的現象，它將宇宙學轉變為一門科學。CMB 是全天遺蹟輻射，其年代可以追溯到宇宙只有 379,000 年的時候，當時原子和光線正在從原始等離子體中分離出來並各奔東西。CMB 的溫暖紅色和涼爽藍色浴代表了溫度變化，這些溫度變化相當於宇宙的 DNA 的物質和能量。拍攝這張照片，然後將其與數百萬個宇宙的模擬進行比較，每個宇宙都有其自身的重子物質、暗物質和暗能量數量。沒有常規物質或暗物質，而是 100% 暗能量的假設宇宙，或者 100% 常規物質，沒有物質或暗能量的宇宙，或者兩者之間的任何組合，都將產生獨特的顏色模式。

威 金森微波各向異性探測器 (WMAP) 於 2001 年發射，並在 2003 年至 2012 年期間傳輸資料，提供了一次這樣的普查。普朗克，一個更精確的太空天文臺，於 2009 年開始收集其自身的 CMB 資料，並於 2018 年釋出了最終結果，證實了 WMAP 的發現：宇宙 4.9% 是我們自己的物質，26.6% 是暗物質，68.5% 是暗能量。

然而，儘管暗能量在拯救宇宙學標準模型方面取得了所有勝利，但一個顯而易見的問題從一開始就困擾著理論家：它是什麼？暗能量確實有助於宇宙加起來是完整的，但這僅在宏觀尺度上——在廣義相對論管轄的範圍內。然而，在微觀尺度上，它毫無意義。

根據量子物理學，空間不是空的。它是粒子不斷湧現和消失的幻影。這些粒子中的每一個都包含能量，科學家們最好的猜測是，這種能量解釋了暗能量。這似乎是一個簡潔的解釋，只是量子物理學預測的密度值比天文學家最初提出的三分之二大得多——大了 10¹²⁰ 倍。正如笑話所說，即使對於宇宙學來說，這也是一個很大的誤差範圍。

在 1998 年的冬天，理論家們立即開始努力縮小這個差距。然後他們開始做更多的工作。他們最終做了太多的工作，以至於觀測者和理論家之間的相互作用威脅要吞噬整個社群。或者至少理論家西蒙·懷特在 2007 年在《物理學進展報告》上發表的一篇題為“為什麼暗能量對天文學不利”的爭議性文章中如此認為。

為了弄清楚暗能量是什麼，理論家需要知道它的行為方式。例如，它是否隨空間和時間而變化？

觀測者毫不掩飾他們的挫敗感。在科學失衡時期的某個時刻，高z發現論文的第一作者亞當·里斯（也是數學上確定如果沒有 lambda——暗能量——超新星資料表明宇宙具有負物質的團隊成員）每天都在認真檢視新的物理學論文，但他說，發現大多數理論都“非常古怪”。

珀爾馬特開始了他的公開演講，其中包含一張 PowerPoint 插圖，展示了提供暗能量“解釋”的論文堆積成幾十篇。施密特在他的會議演示中，包含了一張幻燈片，其中簡單地列出了他從最近文獻中可獲得的 2,500 種理論中挑選出的 47 種理論的標題，不僅讓數量，而且讓名稱本身來說明問題：“五維裡奇平坦反彈宇宙學”、“雙原子幽靈凝聚體暗能量”、“偽南部-戈德斯通玻色子精質”。

“我們迫切需要您的幫助，”施密特在 2007 年初對一群理論家說。“您告訴我們 [觀測者] 您需要什麼；我們將出去為您獲取。”

從那時起，天文學家的挫敗感轉變為近乎漠不關心的態度。今天，桑特澤夫（他最終因個人原因將高z團隊的領導權讓給了施密特；他現在是德克薩斯州大學城米切爾基礎物理學與天文學研究所的傑出教授）說，他幾乎不看每天湧現的線上論文。SCP 發現團隊的天文學家理查德·埃利斯說，“關於暗能量可能是什麼的理論層出不窮，但我傾向於不太相信它們。” 為了弄清楚暗能量是什麼，理論家需要知道它的行為方式。例如，它是否隨空間和時間而變化？ “我們真的需要更精確的觀測才能取得進展，”埃利斯補充道。

他們將獲得更精確的觀測結果。

Ia 型巡天繼續用越來越多的資料點填充哈勃圖，而這些資料點正在越來越緊湊的誤差條內擠壓。如果理論能夠解釋觀測結果，這種統一性可能會更令人滿意。相反，宇宙學家發現自己不得不回去真正確保。表面統一性的可信賴性取決於底層原理圖的可靠性——最初驅動觀測的假設，以及繼續指導天文學家嘗試測量超新星距離的方式。

“在我看來，這種方法的‘股票價值’多年來略有下降，”現在是倫敦大學學院天文學教授的埃利斯說。他引用的一個問題是，“幾乎可以肯定的是，存在不止一種物理機制會導致雙星系統中的白矮星爆炸。”不同的機制可能意味著資料與菲利普斯 1993 年的突破相反，是不可標準化的。

另一個問題是對超新星化學成分的分析表明，較老的爆炸恆星比最近的樣本包含更輕的元素——這一觀測結果與超新星的後代產生越來越重的元素的理論相符。“因此，過去到達白矮星上的進化程度較低 [較老] 的物質可能會改變爆炸的性質，這是合乎邏輯的，”埃利斯說。即便如此，“天文學家仍然非常熱衷於使用超新星。”

例如，附近超新星工廠專案是 SCP 的一個分支，它正在使用一種其團隊成員稱之為“雙胞胎嵌入”的技術。他們不是將所有 Ia 型超新星都視為統一的，像一個物種一樣，而是檢查單個樣本的光屬性，這些樣本在不同波長下的亮度隨著時間的推移幾乎遵循完全相同的模式。一旦他們找到匹配的“雙胞胎”，他們就會嘗試從這些資料中進行標準化。

在未來兩年內，智利的兩個新設施預計將迎來首次光照，並開始進行它們自己對數千顆南天超新星的巡天。薇拉·C·魯賓天文臺將定位這些天體，而 4 米多目標光譜望遠鏡將識別它們的化學成分，幫助闡明重元素較多的超新星可能如何以不同的方式爆炸。

至於太空望遠鏡，研究人員繼續挖掘哈勃檔案中的超新星，里斯預測詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) “最終將把注意力轉向”高紅移超新星，一旦望遠鏡解決了更多主要目標。超新星專家社群也在期待南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，它是 JWST 的後繼者，預計將於 2027 年年中發射。

然而，巡天超新星並不是測量暗能量性質的唯一方法。另一種方法是研究重子聲波振盪 (BAO)——當重子粒子在早期宇宙的熱和混沌中相互碰撞時形成的聲波。當宇宙冷卻到足以讓原子聚結時，這些波就凍結了——它們仍然在 CMB 中可見。類似於超新星作為標準燭光，提供從我們的眼球到整個宇宙的距離尺度的方式，BAO 提供了一個標準尺子——一個橫跨天空的橫向間隔的長度尺度。科學家可以測量 CMB 中振盪密度之間的距離，然後在空間和時間上追蹤這些距離的增長，因為這些密度聚集到星系團中。BAO 宇宙學專家埃利斯稱其為“可能是追蹤宇宙膨脹歷史最乾淨的方式”。

天文學家正在等待兩項主要 BAO 巡天的結果，這些巡天應該能夠讓他們重建宇宙在宇宙早期各個時代的演化。位於亞利桑那州基特峰國家天文臺的尼古拉斯·U·馬亞爾機器人望遠鏡上的暗能量光譜儀 (DESI) 正在收集約 3500 萬個星系、類星體和恆星的光譜（光線分解為其組成波長），天文學家將能夠從中構建一個 3D 地圖，從附近的物體延伸回宇宙大約是現在年齡的四分之一的時間。2023 年 6 月釋出的第一批資料包含近 200 萬個物體，研究人員目前正在研究這些物體。

2025 年，主焦點光譜儀——安裝在夏威夷莫納克亞山 8.2 米斯巴魯望遠鏡上的儀器——將開始跟進 DESI 的結果，但距離甚至更遠，合作組織（埃利斯是聯合首席研究員）將從中完成他們自己的 3D 地圖。歐洲航天局的歐幾里得航天器於 2023 年 7 月 1 日發射，它將為其自身的星系演化巡天貢獻 BAO 目錄，但它還將採用第二種非超新星方法來測量暗能量的性質：弱引力透鏡。

這種相對較新的方法利用了一種廣義相對論效應。足夠大的質量物體（例如星系或星系團）可以充當更遙遠物體的放大鏡，因為質量會彎曲光線的路徑。然後，天文學家可以對星系聚類強度隨時間的增長進行排序，以追蹤物質的引力吸引力與暗能量的排斥效應之間的競爭。歐幾里得的資料應該在未來兩三年內可用。

珀爾馬特說，自從發現加速以來，宇宙學家一直希望進行一項可以提供“20 倍更高精度”的實驗，“我們現在終於有可能在未來五年內看到當我們達到這個水平時會發生什麼。”

二十五年前，《科學》雜誌將暗能量評為 1998 年的“年度突破”。從那時起，兩個開創性的團隊及其領導者獲得了無數獎項，最終在 2011 年獲得了諾貝爾物理學獎，獲獎者包括珀爾馬特（現為加州大學伯克利分校物理學教授和伯克利實驗室高階科學家）、里斯（約翰·霍普金斯大學和太空望遠鏡科學研究所的傑出教授）和施密特（澳大利亞國立大學前副校長）。暗能量早已成為標準宇宙學模型的必要組成部分，與重子物質、暗物質和暴脹並列。

然而……正如科學中始終存在的那樣，可能存在一些基本假設是錯誤的——例如，正如一些理論家所假設的那樣，我們可能對引力有錯誤的理解。這樣的錯誤會扭曲資料，在這種情況下，BAO 測量和歐幾里得的弱引力透鏡結果將出現分歧，宇宙學家將需要重新思考他們的既定事實。

從科學的角度來看，這種結果不會是最糟糕的事情。“物理學家通常進入物理學領域，不是因為渴望理解我們已經知道的東西，”珀爾馬特多年前告訴我，“而是渴望捕捉宇宙在做真正奇異的事情的行為。我們喜歡我們的關於世界的普通直覺可能會被愚弄這一事實。”

“我很高興我說過那句話，”當我現在提醒他那句話時，他說，“因為那感覺確實很像我在我周圍看到的一切。” 儘管如此，在談到進展（或缺乏進展）時，他說，“這很緩慢。” 他笑了。“擁有神秘感很好，但如果實驗方面或理論方面能有更多進展就更好了。”

也許即將到來的資料洪流將幫助理論家們辨別暗能量在不斷變化的空間和時間中的行為方式，這將大大有助於確定宇宙的命運。在那之前，決心寫下宇宙故事最後一章的這一代科學家將不得不滿足於一個更謙虛的結論：未完待續。