物理学家用“暗能量”来描述扰乱宇宙、使得宇宙加速膨胀的物质、力或者属性。到目前为止，我们对其几乎一无所知，这使得关于它的理论猜想成倍增长。但是天文学家们正在制造关于它的一系列更精密的仪器。望远镜和无线电探测器正在追踪越来越多的宇宙信息，希望找到暗能量的痕迹。航天机构则正在计划两项任务来探测暗能量。所有最剧烈的恒星爆炸为深入研究其对早期宇宙的影响提供信息。一个新的天文学分支也可能发挥作用，因为引力波探测器已经开始监测暗能量对黑洞碰撞所产生的信号。
不像探索暗物质那样，探索暗能量是一个新兴的研究方向。科学家在20世纪20年代末就已知道宇宙正在膨胀，但人们认为膨胀的速度一定会减小，因为星系及其他物质之间的引力起到了制动的作用。然而1998年，两个研究团队发现了相反的结果。他们一直在寻找一种特殊类型的恒星爆炸——Ia型超新星爆发，当白矮星经历失控的核反应时会发生这种爆炸。Ia型超新星的本征亮度是一定的，越明亮的星燃烧时间越短。所以，通过测量Ia型超新星光能释放的时间，你可以计算出它的爆发发出了多少光；然后通过测量它在地球上的视星等，你可以计算出这颗超新星离我们有多远和它发出的光行进了多长时间。宇宙学中把这种类型的测量方法称为标准烛光。
天文学家还测量了超新星的红移。它是指光发射之后波长变长的现象，这揭示了宇宙膨胀的程度。综合这些观测结果，天文学家可以确定宇宙膨胀随时间的变化情况——这就是两个团队发现宇宙膨胀的速度不是减慢而是加速这一结果的方法。他们的结论似乎压倒了原先“宇宙膨胀基于引力”的观点。
一个难解之题
那个现在被我们称为“暗能量”的东西仍笼罩着神秘的面纱。我们所知道的是它有把物质向外推的特殊性质，而不是往里吸引，而这与人们曾经认为的宇宙主导力——引力相悖。现在天文学家想知道这个神秘的现象是否随着时间而变化。有的人在提高超新星标准烛光的精度，有的人在设计新的宇宙学研究工具，总之他们已经开始密切关注宇宙是如何膨胀的了。
供图：Nature, September 28, 2016, doi:10.1038/537S201a
到目前为止，最有效的工具是宇宙声波。在宇宙大爆炸后不久，宇宙充满了离子、电子和辐射的弹性混合物。密度异常变小的现象（由宇宙诞生后第10-32秒时的量子涨落所创造）仿佛敲击了宇宙这口钟，使之向外发出声波。大约400000年后，宇宙已经冷却得足以让离子捕获自由的电子。由于辐射穿透所产生的中性原子并放出光子，混合物不再具有弹性。又因为声音需要弹性介质来传播，所以原始的声波就停止了，形成了宇宙在大尺度结构上不可改变的模式。因此，星系间的距离有着轻微的规则分布的趋势，而不是完全随机地分布。这种特征距离随着宇宙的扩张而持续增长，如今这个距离大约是5亿光年（1.53亿秒差距）。
正像将超新星作为标准烛光一样，这些重子声学震荡（BAOs）也可以作为标准尺度。标记足够多星系的位置，你能够测量出重子声学振荡的表观尺寸。接着与由红移计算出的尺寸比较，你能够计算出这些特定的重子声学振荡究竟有多远。通过测量这些星系的红移，标出它们的距离，就可以揭示出在宇宙演化历史上空间是如何膨胀的。
7月份，史隆数位巡天程序中的重子振荡光谱探测（BOSS）公布了最佳的重子声学振荡图景。这也是目前最大的星系探测。加州大学伯克利分校的物理学家Saul Perlmutter说：“这真的是来自于它自己的技术。”他在1998年领导团队发现了暗物质，并与Adam Riess和Brian Schmidt 一起获得了2011年诺贝尔物理学奖。
对超新星的研究结果证明宇宙正在加速膨胀，同时BOSS的数据还给出了一些关于暗能量如何作用的线索。加速膨胀的模式表明，如果暗能量在变化，它的变化不是很快。
现在，这个结论似乎支持了用宇宙常数来描述暗能量。在20世纪20年代，爱因斯坦试图在他的广义相对论方程中增加一个常数，相当于给真空以能量。根据广义相对论，宇宙常数可以抵消普遍存在的引力。爱因斯坦最初设置宇宙常数是为了建构一个平衡的、静态的宇宙模型。但在1929年，Edwin Hubble的研究表明，远处的星系正在远离我们，从而天文学家们开始意识到宇宙正在膨胀。爱因斯坦抛弃了这个常数。然而现在有证据表明宇宙正在加速膨胀，宇宙常数又重新回到了人们的讨论范围内。
能量的奥秘
问题在于为什么真空之中会有能量。量子场论假定有大量虚粒子短暂存在然后消失，这是一个看似荒诞的想法，但能让量子学家非常准确地预测普通粒子如何相互作用。暗能量斥力的背后可能就是这些虚粒子。
但得到的计算结果很难简单相加。真空能量需要约每立方千米1焦耳来使宇宙加速膨胀；量子场论最简单的版本是将虚粒子的能量相加，得到的值比真实值大约高出120个数量级。这样高的能量会迅速将宇宙撕成碎片，显然，这还没有发生。
也许科学家们误解了一些东西。尚未发现的粒子可以抵消由已知粒子提供的能量。然而尽管构造一个理论使最终结果为零很简单，但很难真正去抵消一个巨大的数从而留下真空能量那样小的值。“宇宙常数是一个奇怪的野兽，”Perlmutter说，“这使理论看起来非常不对称。”
所以，尽管宇宙常数仍处于前沿，但科学家们还是在设计其他形式的暗能量。有些人创造了新的引力理论，它类似于广义相对论，但认为在非常大的尺度上会产生矛盾。有些人则假定了一些填充空间的流体，有时称之为精质，它的作用有点像宇宙常数，但密度在缓慢变化。位于费城的宾夕法尼亚粒子宇宙学研究中心主任（Penn Center forParticle Cosmology in Pennsylvania），理论宇宙学家Mark Trodden认为，无论哪种说法，暗能量都是研究“基础物理学完全未知的领域”的关键。而找到最终的答案不仅能改变我们对大自然的观点，而且能让我们预言宇宙的命运。
巡天研究
大量的项目正准备更深入地探究暗能量的迷，并试图弄清楚宇宙中的暗能量是否一直保持不变。暗能量研究项目（DES）已经开始，它使用智利的Victor M. Blanco 望远镜对南半球的超新星和已知的超过2亿个星系进行观测。在2017年初，一个更大的研究——Javalambre 物理学加速宇宙天体物理研究（J-PAS），将开始绘制它自己的宇宙3D地图来揭示BAOs。它将覆盖北半球大部分天空，并用新型仪器来分析超过5亿个星系，这种新型仪器使用56个滤光片来显示红移。
同时，在加拿大西部，一个与众不同的仪器正在建设之中。它就是不列颠哥伦比亚省彭蒂克顿市（Penticton）附近的加拿大氢强度映射实验（CHIME）中的一个不同寻常的射电望远镜，该望远镜由一系列半圆柱形天线组成，就像一个巨型滑板。它沿着南北方向的线收集无线电波，依靠地球自转扫过全部天区从而得到相应的图像。
CHIME用于接收冷氢气发出的波，它们像星系一样带有古老的声学震荡的印迹。它甚至比对星系的研究更能揭示BAOs，因为星系是相对复杂的演化结果，而气体携带的信息更接近原始声波。“这是一个非常纯粹的测量”，首席研究员Mark Halpern说。同时由于该设备构造简单，其花费可以小于1000万加元（780万美元）。位于加拿大温哥华英属哥伦比亚大（University of British Columbia）学的实验宇宙学家Halpern说：“CHIME是一个非常划算的项目。”
在接下来的十年里，航天器和有着更多预算的大型地面望远镜将加入寻找暗能量的队伍中。它们将和DES、J-PAS一道运用四个宇宙学工具。除了探测超新星和绘制BAOs的图景，他们还将探测引力透镜与星系团。星系团因引力被聚集在一起，所以它们的演化可以揭示引力在大尺度上是否开始改变。引力透镜由于中间物质使光线发生弯曲，使星系的方向产生微妙变化的现象。在宇宙尺度的时间上看这些图像如何变化可以揭示暗能量是如何变化的。
大约从2023年开始，智利的大口径综合巡天望远镜（LSST）将探测大量的超新星和数十亿个星系去追踪BAOs、星系团演化和引力透镜。“LSST将与DES相似”，DES主任Josh Frieman说。欧洲航天局的Euclid任务（The European Space Agency's Euclid mission）计划于2020年推出，它也将利用引力透镜来开展研究。由于不受地球大气层的干扰，Euclid锐利的探测能力将更好地发现有引力透镜现象的星系的方向。它还能接收被大气阻挡的近红外光。NASA计划在21世纪20年代中期发射一个有类似功能的WFIRST。WFIRST的成像将比Euclid更清晰，因为它的基础是一个更大的，有着2.4米口径的镜面，这是运行着美国智能卫星的美国国家侦查局（US National Reconnaissance Office）捐赠的光学仪器。“这是一个不同寻常的重复利用技术”，Perlmutter说。
突然的想法
即使有这么多设备盯着天空，暗能量仍难以捉摸。所以一些天文学家正在寻找更特殊的探测手段。伽马射线暴（GRBs）是来自遥远宇宙的高能辐射的短暂爆发。许多伽马射线暴被认为是当大质量恒星的核心坍缩成黑洞或中子星时产生的。加利福尼亚州斯坦福大学的Maria Dainotti想把GRBs当做一个新型的标准烛光。但这似乎是一个艰巨的任务，因为这些爆发形式多样，爆发与消退似乎没有任何规律。“如果你观测到一次GRB，那你只是观测到了一次GRB”，Dainotti说。但在2008年，她发现在某些GRBs中，辐射强度先下降到一个稳定阶段，然后再次下降，其中稳定阶段越短意味着爆发越强。(M. G. Dainotti et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 391,L79–L83; 2008).
为了保证宇宙学研究的精确性，Dainotti对GRBs的使用非常谨慎，一部分原因就在于目前还没有一个明确的物理理论来解释她所提出的相关性。研究人员还不知道当恒星核心坍缩时GRBs发生了什么——高能辐射可能由快速旋转的中子星产生，也可能由物质落入新生黑洞而产生。
但当建立更好的理论后，像这样的爆发可以反映暗能量早期的情况。GRBs比Ia型超新星要亮得多，因此用它们可以看得更远，并能追踪到宇宙年龄不到十亿年时的情况。如果暗能量会改变其性质，那么这种对更远更早的宇宙的观测是至关重要的。
引力
我们可能需要一种新的天文学理论来打破暗能量的谜团。2016年，激光干涉引力波天文台（LIGO）终于宣布他们探测到了来自宇宙深处的时空扭曲信号，即引力波，爱因斯坦在一个世纪前对它做出了理论预测。持续不到一秒的独特啁啾声是黑洞碰撞的回声，它是十亿多年前两个黑洞之间的绕转与合并改变了时空的结构而产生的。
LIGO协作成员，英国卡迪夫大学（University of Cardiff）物理学家Stephen Fairhurst说：“利用这样的引力波，我们可以测量距离。”它的波形揭示了黑洞的质量和发射的总能量。将它们与引力波到达地球时的强度相结合，你可以计算出这个距离。
然而，描绘宇宙膨胀的历史仍需要探测红移，而这是很棘手的。由于引力波探测器还不能精确地确定方向，可能的一个方法是对目标区域中众多星系中的寄主星系进行观测，用它的光来揭示红移。如果如此多样的探测方法都无益于改进对暗能量的探索，那么研究人员可能会别无选择，要么放弃要门坚信宇宙常数。Perlmutter说：“我们发现自己接受宇宙常数与否的时候，就是理论能够做出令人信服的预测的时候。”例如，一个理论可能预测一类挑战宇宙常数的新粒子，而这些粒子可能被欧洲粒子物理实验室的欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞探检测到。
物理学家喜欢奇异的事物，所以大多数人会希望得到其他结果：我们宇宙中的都是进化着的东西，它们甚至比真空中的能量还要陌生。如果我们发现加速源是一个新的能量场或不同形式的引力，那么这样的结果将非常是意义重大的。Trodden说：“这可能导致我们重新思考粒子物理学中引力作用地机制。”从爱因斯坦开始，理论物理学家迷恋于基于粒子的对引力的描述。为了最终解决这个问题，我们可能不得不第二次放弃他的“宇宙常数”理论。
翻译：王泽宇 审稿：胡砚泊
原文来自 科学美国人
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