宇宙三維圖像切片圖 觀測(cè)者到星系和類星體的距離以回溯時(shí)間 （lookback time） 標(biāo)注?；厮輹r(shí)間表示從遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光到達(dá)觀測(cè)者所經(jīng)歷的時(shí)間。右邊緣對(duì)應(yīng)可觀測(cè)宇宙的極限，從中可以看到大爆炸之后留下的宇宙微波背景 （Cosmic Microwave Background， CMB）。 圖片來源：作者提供

　　位于美國(guó)阿帕奇天文臺(tái)的斯隆望遠(yuǎn)鏡 依托該望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家成功完成了重子聲波振蕩（BOSS）巡天，并正在使用它對(duì)宇宙更深處的天體進(jìn)行拓展重子聲波振蕩巡天（eBOSS）。照片來源：斯隆數(shù)字巡天官方網(wǎng)站

愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的時(shí)空彎曲示意圖。 圖片來源：NASA

　　編者按

　　不久前，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)參與的世界最大星系巡天eBOSS國(guó)際科技計(jì)劃合作組織利用宇宙深處的類星體測(cè)量到了顯著的重子聲波振蕩信號(hào)，這也是證明暗能量存在的一個(gè)新的獨(dú)立證據(jù)，引起了世界的廣泛關(guān)注。暗能量到底是什么？暗能量如何觀測(cè)？宇宙加速膨脹背后的物理機(jī)制到底是什么？愛因斯坦建立的廣義相對(duì)論錯(cuò)了么？本期特邀eBOSS國(guó)際合作組星系成團(tuán)性工作組聯(lián)合組長(zhǎng)、中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員趙公博和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員張新民從暗能量的發(fā)現(xiàn)談起，深入解讀這個(gè)正在推動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘力量以及國(guó)內(nèi)外暗能量研究的未來發(fā)展態(tài)勢(shì)。

　　1、暗能量確實(shí)存在，宇宙正在加速膨脹

　　科學(xué)家不久前發(fā)現(xiàn)顯著重子聲波振蕩信號(hào)，這是人類首次利用宇宙深處的類星體進(jìn)行的重子聲波振蕩測(cè)量，并在超新星、宇宙微波背景輻射觀測(cè)之后，獲得了暗能量存在的又一獨(dú)立證據(jù)，這也再次證實(shí)了宇宙在加速膨脹。

　　重子聲波振蕩是早期宇宙中聲波振蕩留下的遺跡，在宇宙爆炸后約38萬年，聲波振蕩信息被“凍結(jié)”。如今宇宙中，仍包含著與大爆炸時(shí)相同的重子聲波振蕩信號(hào)，所以可將其作為“標(biāo)準(zhǔn)尺”測(cè)量宇宙遙遠(yuǎn)天體間的距離從而確定宇宙的膨脹速度。

　　在介紹加速膨脹之前，我們先簡(jiǎn)要回顧膨脹宇宙的發(fā)現(xiàn)歷史。1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃（Edwin Hubble）在分析了與銀河系近鄰的24個(gè)星系的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，驚奇地發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的光譜存在紅移現(xiàn)象。類比于經(jīng)典物理學(xué)中的多普勒現(xiàn)象，星系光譜的紅移表明這些天體在逐漸遠(yuǎn)離我們。哈勃還發(fā)現(xiàn)，天體退行速度與它們離我們的距離成正比，這就是著名的哈勃定律，其系數(shù)被稱作哈勃常數(shù)。哈勃發(fā)現(xiàn)的是一種時(shí)空膨脹效應(yīng)，這意味著整個(gè)宇宙處于膨脹狀態(tài)之中。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)震驚世界，甚至讓很多人不安，因?yàn)榇税l(fā)現(xiàn)讓千百年來認(rèn)為“宇宙為靜態(tài)”的觀點(diǎn)被打破。

　　哈勃發(fā)現(xiàn)的是一種時(shí)空膨脹效應(yīng)。通常的引力效應(yīng)只能讓宇宙減速膨脹，而科學(xué)家假設(shè)了一種能推動(dòng)宇宙加速膨脹的未知神秘力量，稱之為暗能量，它具有負(fù)壓強(qiáng)，能使時(shí)空在宇宙學(xué)尺度上加速膨脹。

　　要確定宇宙的膨脹是加速還是減速，就要測(cè)量遙遠(yuǎn)天體的距離和紅移關(guān)系。天文學(xué)上常用的測(cè)距方法，是通過測(cè)量天體的亮度來推斷距離，這要選取具有絕對(duì)亮度的天體作為標(biāo)準(zhǔn)。由恒星演化到最后發(fā)生爆炸而形成的超新星可以擔(dān)任這個(gè)角色。其爆發(fā)時(shí)亮度能與整個(gè)星系相比擬，從很遠(yuǎn)的距離外都能觀測(cè)到。

　　1998年，由美國(guó)、澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)研究小組，幾乎同時(shí)在超新星觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了暗能量存在的證據(jù)，以此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——在北京時(shí)間2011年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家Saul Perlmutter、美國(guó)-澳大利亞科學(xué)家Brian P.Schmidt和美國(guó)科學(xué)家Adam G.Riess，以表彰他們一項(xiàng)震驚世界的科學(xué)發(fā)現(xiàn)：宇宙正在加速膨脹！

　　此次的重子聲波振蕩信號(hào)是人類首次通過觀測(cè)宇宙深處的類星體成團(tuán)性發(fā)現(xiàn)的。這些類星體非常遙遠(yuǎn)，現(xiàn)在看到的是它們?cè)谟钪嬲Q生后30億年到70億年間發(fā)出的光，遠(yuǎn)在地球形成之前。

　　之前eBOSS國(guó)際合作組的專家都是用星系進(jìn)行重子聲波振蕩測(cè)量，而這次是用類行星，并且是高紅移的類星體進(jìn)行測(cè)量，這與之前利用低紅移星系進(jìn)行的測(cè)量形成了很好的互補(bǔ)。

　　那么什么是類星體？為什么會(huì)選擇用它來觀測(cè)？類星體是1963年被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一類特殊天體。它們因?yàn)榭雌饋硎穷愃坪阈堑奶祗w而得名，實(shí)際上卻是銀河系外能量巨大的遙遠(yuǎn)天體。它們的中心其實(shí)是質(zhì)量在太陽(yáng)千萬倍以上的超質(zhì)量黑洞。這些黑洞周圍豐富的物質(zhì)發(fā)出巨大能量，使得類星體成為宇宙中最耀眼的天體。幾乎在整個(gè)宇宙空間中，我們都能看到類星體。

　　重子聲波振蕩實(shí)際上反映了時(shí)空中物質(zhì)分布的狀況，物質(zhì)密度越高的地方，星系和類星體也越多。這次選擇類星體來觀測(cè)，主要是比較亮一些，在更遙遠(yuǎn)的地方都可以看到。

　　2015年至今，eBOSS國(guó)際合作組順利完成了類星體巡天觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理，以及暗能量等宇宙學(xué)前沿問題研究，證實(shí)了利用紅移類星體開展宇宙學(xué)研究的可行性與優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)類星體、亮紅星系以及發(fā)射線星系巡天奠定了基礎(chǔ)。該項(xiàng)目也受到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院“宇宙結(jié)構(gòu)起源”先導(dǎo)B類專項(xiàng)的支持。

　　2、宇宙中約70%的能量是由暗能量提供，約25%由暗物質(zhì)提供，而我們熟悉的普通物質(zhì)只占5%

　　在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)上，要了解宇宙在過去不同時(shí)刻的膨脹率，進(jìn)而確定宇宙的膨脹是加速還是減速，就需要測(cè)量更遙遠(yuǎn)天體的距離和紅移的關(guān)系。

　　天體的紅移可以通過其光譜直接測(cè)量，但是測(cè)量天體與我們的距離卻非常困難。天文學(xué)上常用的測(cè)距方法是通過測(cè)量天體的亮度（它們和天體的星等相聯(lián)系）來推斷距離。因此，在測(cè)距過程中要選取那些具有已知的絕對(duì)亮度的天體作為觀測(cè)對(duì)象，這類天體被稱作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。通過測(cè)量不同紅移處標(biāo)準(zhǔn)燭光的亮度，并利用亮度與紅移（或者星等與紅移）的關(guān)系，我們就可以用它來確定宇宙膨脹率與時(shí)間的依賴關(guān)系。

　　宇宙中確實(shí)存在我們需要的標(biāo)準(zhǔn)燭光：Ia型超新星（SN）。此類超新星是雙星系統(tǒng)中，白矮星吸積物質(zhì)，或雙白矮星并合引起爆發(fā)形成的。這類星體在爆發(fā)時(shí)非常明亮，在短短幾周內(nèi)，其亮度可以與整個(gè)星系相比擬，在很遙遠(yuǎn)的距離上都可以觀測(cè)到。經(jīng)過多年努力，由Perlmutter、Schmidt和Riess領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)獨(dú)立的超新星研究小組在1998年幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)，宇宙深處的超新星比一個(gè)通常的以物質(zhì)為主的宇宙所給出的要暗。這個(gè)觀測(cè)證據(jù)表明，宇宙的膨脹正在加速！

　　除超新星以外，重子聲波振蕩（BAO）是探測(cè)宇宙膨脹歷史的另一枚重要探針。在宇宙早期，重子物質(zhì)與光子緊密耦合，并在引力和光子壓強(qiáng)兩種相反的作用力下形成類似聲波一樣的振蕩。隨著宇宙膨脹，溫度降低，這種聲波振蕩使得重子物質(zhì)逐漸相互遠(yuǎn)離，直到宇宙大爆炸后約38萬年的微波背景輻射（CMB）時(shí)期。從此光子與重子不再相互作用，聲波振蕩過程結(jié)束，星系之間的距離被“凍結(jié)”在一個(gè)特定的宇宙學(xué)尺度上，即BAO尺度。BAO尺度大約為150兆秒差距（約4.9億光年），具體數(shù)值依賴于宇宙學(xué)參數(shù)。觀測(cè)上，我們可以通過測(cè)量不同尺度上星系對(duì)的數(shù)目（宇宙學(xué)上稱為星系的兩點(diǎn)關(guān)聯(lián)函數(shù)）測(cè)量BAO尺度，進(jìn)而測(cè)量宇宙學(xué)參數(shù)。

　　由于利用BAO尺度直接受宇宙幾何影響，而且BAO測(cè)距幾乎不受系統(tǒng)誤差影響，BAO被稱為測(cè)量宇宙幾何的標(biāo)準(zhǔn)尺。目前國(guó)際上最大的BAO巡天實(shí)驗(yàn)為美國(guó)的斯隆數(shù)字巡天（SDSS）。其第三期的重子聲波振蕩光譜巡天（BOSS）通過測(cè)量一百萬條星系光譜，首次在有效紅移0.57處把BAO距離測(cè)量精度提高到1%的水平，并成功在多個(gè)宇宙學(xué)紅移測(cè)得高精度的BAO信號(hào)，為宇宙學(xué)研究提供重要觀測(cè)支持。BAO的觀測(cè)獨(dú)立地表明，宇宙確實(shí)正在加速膨脹！

　　宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光、宇宙標(biāo)準(zhǔn)尺以及CMB在限制宇宙學(xué)參數(shù)方面高度互補(bǔ)。結(jié)合SN、BAO和CMB的觀測(cè)數(shù)據(jù)，目前宇宙中約70%的能量是由一種稱為暗能量的未知能量組分提供，約25%由一種稱為暗物質(zhì)的未知物質(zhì)形式提供，而我們熟悉的普通物質(zhì)只占5%左右。

　　3、暗能量的本質(zhì)決定著宇宙的命運(yùn)

　　我們可以看出宇宙膨脹加速，即宇宙標(biāo)度因子對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)為正，宇宙中總的壓強(qiáng)必為負(fù)值，即今天的宇宙是由一種具有很強(qiáng)負(fù)壓的物質(zhì)所主導(dǎo)（重子物質(zhì)和暗物質(zhì)壓強(qiáng)為0）。這種神秘的負(fù)壓物質(zhì)就是暗能量。我們目前對(duì)暗能量的本質(zhì)知之甚少，只了解它具有負(fù)壓強(qiáng)，且近乎光滑，即不結(jié)團(tuán)。暗能量的更多性質(zhì)由其壓強(qiáng)與能量密度的比值，即狀態(tài)方程參數(shù)來描述。

　　暗能量的本質(zhì)決定著宇宙的命運(yùn)。如果加速膨脹是由真空能引起的，那么宇宙將永遠(yuǎn)延續(xù)這種加速膨脹的狀態(tài)。宇宙中的物質(zhì)和能量將變得越來越稀薄，星系之間互相遠(yuǎn)離的速度將變得非?？?，新的結(jié)構(gòu)不可能再形成。如果導(dǎo)致當(dāng)今宇宙加速膨脹的暗能量是動(dòng)力學(xué)的，那么宇宙的未來將由暗能量場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)決定，有可能會(huì)永遠(yuǎn)加速膨脹下去，也有可能重新進(jìn)入減速膨脹的狀態(tài)，甚至可能收縮，特別是在精靈暗能量框架下，宇宙將有可能是循環(huán)的，即膨脹-收縮-再膨脹-再收縮……循環(huán)往復(fù)。

　　從天文觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取暗能量狀態(tài)方程隨紅移（即時(shí)間）的演化歷史，對(duì)于探索暗能量的本質(zhì)至關(guān)重要，因此，這也是國(guó)內(nèi)外許多正在運(yùn)行（SDSS巡天）和計(jì)劃中的大型巡天計(jì)劃（DESI、Euclid、LSST等）的首要科學(xué)目標(biāo)之一。

　　4、愛因斯坦建立的廣義相對(duì)論錯(cuò)了么

　　愛因斯坦建立的廣義相對(duì)論是迄今為止最成功的引力理論。其正確性從實(shí)驗(yàn)室尺度到太陽(yáng)系尺度都得到了高精度的驗(yàn)證。然而，在宇宙學(xué)尺度上，廣義相對(duì)論的正確性還只是假設(shè)。目前的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)精度還不足以在如此大的時(shí)空尺度上證實(shí)或者證偽廣義相對(duì)論。因此，宇宙時(shí)空的加速膨脹現(xiàn)象原則上有可能通過修正或者推廣廣義相對(duì)論實(shí)現(xiàn)。

　　實(shí)際上，這并不是科學(xué)家第一次感到引力理論有修正的必要。20世紀(jì)初，愛因斯坦意識(shí)到牛頓引力論（即絕對(duì)時(shí)空觀）既不適用于接近光速運(yùn)動(dòng)的物體，也不能準(zhǔn)確描述強(qiáng)引力場(chǎng)中的物體。因此，他大膽地使用相對(duì)時(shí)空觀取代了絕對(duì)時(shí)空觀，建立了狹義和廣義相對(duì)論，為百年來的物理和天文學(xué)研究奠定了基石。愛因斯坦場(chǎng)方程的右邊是表征物質(zhì)的分布和運(yùn)動(dòng)的物理量，稱為能量-動(dòng)量張量，而方程左邊則是時(shí)空曲率。此方程清楚表明，廣義相對(duì)論認(rèn)為物質(zhì)的分布和運(yùn)動(dòng)決定了時(shí)空曲率，而時(shí)空曲率又反過來影響物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和分布。如前文所述，由物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙無法使時(shí)空加速膨脹，因而引入具有負(fù)壓的暗能量。這實(shí)際上是修正愛因斯坦方程右側(cè)。而另一種解決方案則是直接修正時(shí)空曲率項(xiàng)，即修正愛因斯坦方程左側(cè)，這就是修正引力論。

　　原則上，修正引力與暗能量模型可以給出完全相同的宇宙背景膨脹歷史（即0階物理量），但是它們卻預(yù)言了完全不同的宇宙結(jié)構(gòu)形成歷史（即1階擾動(dòng)量）。因此，利用星系大尺度結(jié)構(gòu)巡天，我們可以通過觀測(cè)宇宙的結(jié)構(gòu)形成，來區(qū)分修正引力與暗能量這兩種物理機(jī)制，并對(duì)修正引力模型進(jìn)行觀測(cè)限制。

　　目前已建立的修正引力模型包括標(biāo)量-張量理論、矢量-張量理論、帶質(zhì)量引力理論等。數(shù)學(xué)形式上，這些理論都要比廣義相對(duì)論復(fù)雜，因此要研究這些理論預(yù)言的宇宙結(jié)構(gòu)形成往往需要借助大規(guī)模數(shù)值模擬。

　　5、未來5至10年是暗 能量研究的黃金時(shí)代

　　“工欲善其事，必先利其器。”對(duì)于暗能量的研究來說，開展大規(guī)模的巡天實(shí)驗(yàn)是重中之重。未來5到10年內(nèi)，我國(guó)和國(guó)際上將運(yùn)行一批（國(guó)際上稱為第四代）大型地面和空間暗能量項(xiàng)目，包括我國(guó)的空間站巡天，天籟計(jì)劃，國(guó)際上的DESI，Euclid等項(xiàng)目，揭示宇宙加速膨脹背后的新物理。

　　這些項(xiàng)目將從宇宙小尺度（星系或者星系團(tuán)尺度）到大尺度（星系成團(tuán)尺度和宇宙背景演化尺度）全面檢驗(yàn)暗能量動(dòng)力學(xué)和廣義相對(duì)論。它們將通過對(duì)宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光（超新星）和宇宙標(biāo)準(zhǔn)尺（BAO）的精確測(cè)量重建暗能量演化歷史，并將通過紅移畸變（RSD）、等效原理檢驗(yàn)等手段精確檢驗(yàn)廣義相對(duì)論。此外，位于我國(guó)西藏阿里地區(qū)的“阿里計(jì)劃”CMB實(shí)驗(yàn)將在五年內(nèi)建成并運(yùn)行，該實(shí)驗(yàn)將對(duì)宇宙原初引力波的探索和暗能量研究具有重要意義。

　　未來5年至10年是暗能量研究的黃金時(shí)代。相信在全世界科學(xué)家的共同努力下，揭開暗能量神秘面紗的時(shí)刻指日可待。