宇宙行為失常。
在大爆炸中誕生後，大約140億年前，宇宙開始膨脹。在20世紀的大部分時間裡，科學家們認為引力會逐漸減緩這種膨脹，宇宙中所有的物質都起到阻力的作用。
但20世紀90年代後期的觀測表明，事實遠非如此。使用一種特殊的爆炸恆星——Ia型超新星對宇宙距離進行精確估計後顯示，與所有預期相反，宇宙的膨脹實際上正在加速。這類似於在宇宙尺度上，將一個球拋到頭頂，卻看到它以越來越快的速度飛走，而不是掉下來。 “為什麼”會發生這種情況仍然是物理學中最緊迫的謎團之一。
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澳大利亞昆士蘭大學的天體物理學家塔瑪拉·戴維斯說：“理論家們正在盡情發揮。” “關於是什麼驅動宇宙加速，有成百上千種理論。”
科學家們通常將罪魁禍首稱為暗能量，但沒有人知道它是什麼。然而，它的行為可能為了解其身份提供有力的線索：如果暗能量的加速膨脹效應隨著時間的推移保持穩定，這將非常符合所謂的宇宙學標準模型，這是科學家們迄今為止設計的對宇宙演化的最佳總體解釋。問題是，沒有人能夠確定暗能量是否真的如此固定——如果暗能量的強度可以隨時間變化，那麼將此與物理學的其他部分協調起來可能需要重新思考我們對引力的理解。
這個問題促使包括戴維斯在內的400多名國際科學家組成的小組，大約在十年前開始合作進行一項名為暗能量巡天（DES）的觀測計劃。研究人員建造了一個特殊的相機，與位於智利托洛洛山美洲際天文臺的維克托·M·布蘭科望遠鏡一起使用，並且他們在月初舉行的美國天文學會年會上報告了他們雄心勃勃的努力的最新、最權威的結果。該小組還在預印本伺服器arXiv.org上釋出了他們的發現。
五年來的每個夜晚，該團隊都在尋找最初導致暗能量發現的同類超新星。 Ia型超新星發生時都會釋放大致相同的光量，這使它們成為計算宇宙距離的方便“標尺”。天文學家可以透過測量Ia型超新星的亮度來判斷它有多遠。將該距離與對超新星遠離地球的速度的單獨測量相結合，可以揭示宇宙在發生恆星災變時膨脹的速度。第二種測量方法涉及檢查超新星的光譜——將其光分解成組成顏色，並觀察光波長因宇宙膨脹而被拉伸而變紅的程度。物體的“紅移”越高，該物體遠離我們的速度就越快。
大約50顆超新星，大多數紅移較低且來自相對較近的宇宙，構成了1998年發現暗能量的基礎。然而，要探測暗能量是否以及如何在漫長的時間裡發生變化，需要確定來自更大範圍時空中的超新星的距離和速度。戴維斯說，藉助DES，“我們想看看暗能量在整個宇宙歷史中是否一直相同，而做到這一點的唯一方法是瞭解它在過去是什麼樣子。” 最終，該專案發現並研究了1500多個明顯的恆星爆炸，其中許多爆炸來自遙遠宇宙深處，具有高紅移。
新分析，同樣令人困惑的結果
杜克大學宇宙學家和DES合作者瑪麗亞·文森齊說：“為了發現新的Ia型超新星，我們必須玩‘找出照片差異’的遊戲，”她共同領導了該小組的超新星宇宙學工作。“你檢視一夜又一夜的影像，看看是否看到有什麼東西突然出現。”
DES研究人員必須篩選出他們識別出的約19,000個“爆發點”，以尋找正確的型別。為了梳理如此龐大的資料集，該團隊開發了新的機器學習技術，使該過程速度提高了約100倍。
但即使這樣也不夠：雖然聰明的自動化節省了初始候選物件的選擇時間，但確定每個候選物件的紅移通常需要獲得更多資料。這可能是一項緊急而令人擔憂的任務，因為收集超新星的診斷光譜必須在其光線褪去之前進行，並且需要在大型望遠鏡上獲得大量競爭激烈的觀測時間。戴維斯說：“拍攝一張超新星的照片只需要大約五分鐘，而獲得其光譜則需要幾個小時。”
DES團隊的解決方案是使用在澳大利亞庫納巴拉布蘭的英澳望遠鏡上的專用時間，測量每個計算機標記的候選物件假定的宿主星系的紅移，而不是候選物件本身的紅移。戴維斯說：“因此，您可以坐下來放鬆身心，並在您喜歡的任何時候悠閒地獲取光譜，因為您不必急於捕捉超新星的光線。”
從這項有史以來規模最大、最好的遙遠超新星巡天中，他們發現了什麼？
約翰·霍普金斯大學的宇宙學家查爾斯·貝內特說：“DES論文探討了是否迫切需要在[標準]宇宙學模型中增加複雜性，並發現答案是否定的。” 貝內特沒有參與DES。“這並不意味著自然不會更復雜，而是我們沒有足夠令人信服的證據來證明更復雜的模型。”
然而，正如文森齊指出的那樣，“結果實際上介於支援標準模型和暗示宇宙加速隨時間推移並非恆定之間。”
從本質上講，該團隊使用了更多更好的資料，得出了與最初激發其探索的相同的令人煩惱的結論。儘管是迄今為止基於超新星的對暗能量的最佳估計，但DES的結果幾乎不可思議地位於確定性仍然難以捉摸的縮小的模糊空間中。因此，即使到現在，也沒有人能說我們的萬有引力定律是否需要修改。
通往啟蒙之路
DES團隊開發的許多相同的機器學習技術可以在未來幾年應用於更大的資料集，這將對暗能量進行更嚴格的測試。智利的薇拉·C·魯賓天文臺等設施可能會發現數百萬顆新的Ia型超新星，而不是數百或數千顆，這將需要更有效的方法來解析所有這些資料。
戴維斯說：“不可能跟蹤每一顆超新星的實況；世界上根本沒有足夠的望遠鏡資源。”
天文學家還將使用美國宇航局即將發射的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡等天文臺，透過研究超新星並採取一系列其他方法，來探測宇宙更早的膨脹歷史。
加州理工學院紅外處理與分析中心的高階研究科學家和暗能量專家王雲（Yun Wang）說：“我們必須非常詳細地測量宇宙的膨脹歷史和結構增長，才能瞭解暗能量的性質以及對愛因斯坦引力理論的潛在修改。” 王雲沒有參與DES。 事實上，各種遙遠觀測的早期結果已經發現了一個可能的暗示，即暗能量在某種程度上比宇宙學家長期以來假設的簡單常數更復雜。 王雲說，這是一個“被稱為哈勃張力的問題”。 “測量宇宙當前膨脹的不同方法給出了非常不同的答案。 修改我們的萬有引力定律可能是解決這種張力的一個可能方案，這也可能是暗能量的起源。” 找出奇怪的當前宇宙膨脹率測量結果不一致的原因，DES分析並未解決這個問題，這可能會為暗能量之謎提供線索。
貝內特說：“我發現非常奇怪的是，標準模型運作得如此出色，並且僅用幾個引數就能解釋各種精確的資料，但也只有一個失敗領域。” 他指出，許多嘗試調整標準模型以使其解決哈勃張力的嘗試最終違反了其他物理定律，而這些物理定律得到了觀測的充分支援。 “在不影響多個可測量屬性的情況下改變宇宙模型是很困難的。”
王雲說：“目前，暗能量之謎仍然存在，宇宙的最終命運懸而未決。” 如果宇宙加速具有恆定的強度，宇宙將永遠膨脹；它的命運已定。但是，如果暗能量可以隨時間變化，那將開啟一個充滿其他可能性的宇宙。 “對我而言，這是當今物理學和天文學中最令人興奮的問題。”