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遺漏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，它包圍著我們每一個人，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主體，而且如果它經受住時間的考驗，它的存在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的過程，弄清楚暗能量是什麼以及它有什麼影響。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，而沒有意識到它。
具有諷刺意味的是，暗能量的普遍存在正是使其難以識別的原因。與物質不同，暗能量不會在某些地方比其他地方更密集地聚集；就其本質而言，它均勻地分佈在各處。無論位置在哪裡——無論是在您的廚房還是在星系際空間——它都具有相同的密度，約為每立方米 10-26 千克，相當於少數氫原子。我們太陽系中所有暗能量的總量相當於一個小行星的質量，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。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
自美國天文學家埃德溫·哈勃時代以來，觀測者就知道，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。這種模式暗示星系不是在傳統意義上穿過空間移動，而是在空間本身被拉伸時被攜帶 [參見查爾斯·H·萊恩威弗和塔瑪拉·M·戴維斯的《關於大爆炸的誤解》；《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？他們推斷它應該正在減速，因為星系彼此施加的向內引力應該會抵消向外的膨脹。
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，就像觀察漂流木讓您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，它一直在減速，但在某個時刻經歷了轉變並開始加速 [參見克雷格·J·霍根、羅伯特·P·基什納和尼古拉斯·B·桑澤夫的《用超新星勘測時空》；《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例如威爾金森微波各向異性探測器 (WMAP) 對宇宙微波背景輻射的獨立研究進行了交叉驗證。
暗能量可能是曾經看似無關的星系形成的幾個方面之間的關鍵聯絡。
一種可能的結論是，引力在超星系尺度上適用的定律與在較小尺度上適用的定律不同，因此星系的引力實際上並沒有抵抗膨脹。但更普遍接受的假設是，引力定律是普遍適用的，並且某種以前不為科學界所知的能量反對並壓倒了星系之間的相互吸引力，使它們越來越快地分離。儘管暗能量在我們星系（更不用說您的廚房）中微不足道，但它加起來卻是宇宙中最強大的力量。
宇宙雕塑家
隨著天文學家探索這種新現象，他們發現，除了決定宇宙的整體膨脹率外，暗能量還對較小的尺度產生長期影響。當您從整個可觀測宇宙放大時，您首先注意到的是，宇宙尺度上的物質以蛛網狀模式分佈——由絲狀物組成的薄紗，長達數千萬光年，其中散佈著大小相似的空隙。模擬顯示，需要物質和暗能量才能解釋這種模式。
然而，這一發現並不令人非常驚訝。絲狀物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，也沒有建立起自身內部的力平衡。相反，它們是由宇宙膨脹（以及任何影響它的現象）和自身引力之間的競爭塑造的特徵。在我們的宇宙中，這場拔河比賽中的兩個參與者都沒有絕對的優勢。如果暗能量更強，膨脹就會獲勝，物質就會分散開來，而不是集中在絲狀物中。如果暗能量較弱，物質就會比現在更集中。
當您繼續放大並達到星系和星系團的尺度時，情況變得更加複雜。包括我們銀河系在內的星系不會隨著時間推移而膨脹。它們的大小受重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；它們僅透過吸收來自星系際空間的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——數千個星系聚集在一起，嵌入廣闊的熱氣體雲中，並由引力束縛在一起。
然而，現在看來，暗能量可能是曾經看似無關的星系和星團形成的幾個方面之間的關鍵聯絡。原因是這些系統的形成和演化部分是由星系之間的相互作用和合並驅動的，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的形成。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，如果帶電，則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，即重子，如質子和中子。其次是暗物質（與暗能量不同），它構成了所有物質的 85%，其顯著特性是它包含不與輻射反應的粒子。在引力上，暗物質的行為就像普通物質一樣。
根據模型，暗物質在大爆炸後立即開始聚集，形成天文學家稱為“暈”的球形團塊。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。它們仍然處於熱氣體狀態。隨著宇宙的膨脹，這種氣體冷卻下來，重子能夠將它們自己聚集在一起。第一批恆星和星系在大爆炸後數億年從這種冷卻的氣體中凝聚出來。它們並沒有在隨機位置顯現，而是在已經形成的暗物質暈的中心顯現。
自 20 世紀 80 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，包括由德國加興馬克斯·普朗克天體物理研究所的西蒙·D·M·懷特和英國達勒姆大學的卡洛斯·S·弗倫克領導的小組。他們已經表明，大多數早期結構都是小的、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，您從娃娃屋開始，然後將其砸碎以製作積木。）我的同事和我試圖透過觀察遙遠的星系以及它們在宇宙時間中的合併方式來檢驗這些模型。
星系形成逐漸衰退
詳細的研究表明，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，而其中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 20 億年至 60 億年之間——也就是在宇宙歷史的前半部分——正在經歷合併的大質量星系的比例從一半下降到幾乎完全沒有。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% 的大質量星系是橢圓星系或螺旋星系，它們的形狀會被合併破壞。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很早就形成了，並且在相當長一段時間內保持著規則的形態。今天有一些星系正在合併，但它們通常質量較低。
合併的實際停止並不是宇宙自其當前年齡的一半以來就耗盡能量的唯一方式。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部分，正如 20 世紀 90 年代的幾個團隊首次令人信服地表明的那樣，包括由當時的加拿大多倫多大學的西蒙·J·莉莉、當時的太空望遠鏡科學研究所的皮耶羅·馬達烏和加州理工學院的查爾斯·C·斯泰德爾領導的團隊。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。自從宇宙達到當前年齡的一半以來，只有輕量級系統繼續以顯著的速度創造恆星。恆星形成場所的這種轉變被稱為星系規模縮小 [參見艾米·J·巴傑的《宇宙的中年危機》；《大眾科學》，2005 年 1 月]。這似乎是矛盾的。星系形成理論預測，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。
宇宙自其當前年齡的一半以來就耗盡了能量。合併已經停止，黑洞也變得靜止。
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已大大放緩。這些黑洞為類星體和其他型別的活動星系提供動力，這些活動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。星系演化的這些趨勢之間有關聯嗎？暗能量真的是根本原因嗎？
暗能量的穩定控制
一些天文學家提出，星系內部過程，如黑洞和超新星釋放的能量，關閉了星系和恆星的形成。但暗能量已經成為可能更根本的罪魁禍首，它可以將一切聯絡在一起。最核心的證據是大多數星系和星團形成結束與暗能量支配地位開始之間的時間大致重合。兩者都發生在宇宙大約是當前年齡的一半時。
其思想是，在宇宙歷史的那個時刻之前，物質的密度非常高，以至於星系之間的引力超過了暗能量的影響。星系摩肩接踵，相互作用，並經常合併。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，物質變得稀薄，其引力減弱，而暗能量的強度保持不變（或接近不變）。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，導致星系合併率逐漸降低。同樣，星系際氣體也更難落入星系。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規模縮小。最大質量的暗物質暈及其嵌入的星系也是最聚集的；它們與其他大質量暈非常接近。因此，它們可能比低質量系統更早地撞擊它們的鄰居。當它們這樣做時，它們會經歷恆星形成的爆發。新形成的恆星發光，然後爆炸，加熱氣體並阻止其坍縮成新的恆星。這樣，恆星形成就會自我扼殺：恆星加熱了它們從中出現的氣體，阻止了新恆星的形成。位於這種星系中心的黑洞充當了恆星形成的另一個阻尼器。星系合併將氣體注入黑洞，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——最有可能的原因是這些系統中的氣體變得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，但由於缺乏冷氣體，很少有新恆星出現。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，正如觀察到的那樣，大質量星系在較小的星系之前形成。暗能量可能透過決定星系聚集的程度和合並率來調節這個過程。
暗能量還可以解釋星系團的演化。在宇宙年齡不到當前年齡一半時發現的古代星團，已經像今天的星團一樣巨大。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，自從宇宙大約是當前年齡的一半以來，星系落入星系團的現象已經減少——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。早在 20 世紀 90 年代中期，天文學家就知道星系團在過去 80 億年中沒有增長多少，他們將此歸因於物質密度低於理論論證預測的密度。暗能量的發現解決了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在附近區域的星系的命運，即所謂的本星系群。就在幾年前，天文學家還認為銀河系和仙女座星系（它最近的大鄰居）及其衛星群將落入附近的室女座星系團。但現在看來，我們將逃脫這種命運，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越它的速度。
透過抑制星團的發展，暗能量還控制著星團內星系的組成。星團環境促進了各種星系的形成，例如所謂的透鏡星系、巨型橢圓星系和矮橢圓星系。透過調節星系加入星團的能力，暗能量決定了這些星系型別的相對丰度。
空間正在空虛，使我們的銀河系及其鄰居成為一個日益孤立的島嶼。
這是一個好故事，但它是真的嗎？星系合併、黑洞活動和恆星形成都在隨著時間推移而減少，而且很可能它們在某種程度上是相關的。但天文學家尚未追蹤到事件的完整序列。正在進行的哈勃太空望遠鏡、錢德拉 X 射線天文臺以及靈敏的地面成像和光譜學調查將在未來幾年仔細研究這些聯絡。一種方法是獲得遙遠活動星系的良好普查，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，但在未來幾年內應該可以掌握。
取得平衡
一個由暗能量主導的加速宇宙是產生星系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更長時間，而今天的宇宙將包含更多具有老恆星群的大質量星系。同樣，它的低質量系統會更少，而像我們銀河系這樣的螺旋星系將很少見（考慮到螺旋星系無法在合併過程中倖存下來）。星系的大尺度結構會更緊密地結合在一起，並且會發生更多的結構合併和吸積。
相反，如果暗能量甚至比現在更強，宇宙的合併就會更少，因此大質量星系和星系團也會更少。螺旋星系和低質量矮不規則星系會更常見，因為在整個時間裡發生的星系合併會更少，而星系團的質量會小得多，甚至可能根本不存在。恆星的形成也可能更少，並且我們宇宙中更高比例的重子質量仍將處於氣體狀態。
儘管這些過程可能看起來很遙遠，但星系的形成方式對我們自身的生存有影響。恆星是產生比鋰更重的元素所必需的，這些元素用於構建類地行星和生命。如果較低的恆星形成率意味著這些元素沒有大量形成，宇宙就不會有許多行星，而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無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。
暗能量絕沒有完成它的工作。它可能看起來對生命有利：加速將阻止最終的坍縮，這在不久前還是天文學家擔心的問題。但暗能量帶來了其他風險。至少，它會拉開遙遠的星系，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。空間正在空虛，使我們的星系及其附近的星系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有限的引力影響範圍，其範圍不會比它們自身的個體大小大多少。
更糟糕的是，暗能量可能會演化。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物體，如星系團和星系。最終，地球將被從太陽中剝離並撕碎，地球上的所有物體也將被撕碎。甚至原子也將被摧毀。曾經被物質陰影籠罩的暗能量將最終完成它的復仇。