神秘的暗能量

1998年，一项全新的发现刷新了我们对宇宙的认知：天文学家在观测相对遥远的Ia型超新星后发现，我们的宇宙不只是像过去所认为的那样在膨胀，而是在加速膨胀！

这个发现完全出乎意料，因为由于星系和星系团之间的引力作用，宇宙的膨胀应该会随着时间逐渐减慢，但真实情况却并非如此。天文学家也将加速宇宙膨胀的幕后推手称为“暗能量”，它的本质是物理学中最大的谜团。

不久前，暗能量巡天（DES）的科学家发布了一项前所未有的分析结果，让我们更深入的了解了暗能量的奥秘和宇宙的膨胀。

图中所显示的超新星是由DES发现。（图/DES collaboration）

一个难以捉摸的参数

DES的结果是全球研究人员数年工作的成果，它测量了暗能量的状态方程参数w，w=p/ρ（p是压力，ρ是能量密度）。自发现暗能量以来，其状态方程的值一直是一个基本问题，所以计算出这个数字是真正理解暗能量本质的第一步。

根据标准的宇宙学模型，宇宙中暗能量的密度是恒定的，这意味着它不会随着宇宙的膨胀而稀释。如果事实果真如此，那么状态方程参数应该等于-1，即w=-1。

为了更好地测量w的值，DES团队依旧使用了来自Ia型超新星的数据。什么是Ia型超新星呢？当一颗太阳质量恒星耗尽所有燃料时，其核心最终会坍缩形成白矮星。如果白矮星是在一个双星系统中，它的强大引力会掠夺另一颗恒星的气体，使它的质量不断增长。当白矮星的质量增长到1.4个太阳质量时，它就会爆炸形成Ia型超新星（如下图）。

左：白矮星的引力会吸引伴星的气体；右：当白矮星的质量达到所谓的钱德拉塞卡极限时，它就会爆炸形成Ia型超新星。（图/原理）

由于所有白矮星的临界质量都几乎相同，所以所有Ia型超新星的实际亮度也大致相同，任何剩余的变化都可以校准出来。因此，当比较从地球上看到的两颗Ia型超新星的视亮度时，就可以确定它们与我们的相对距离。

红移：由于宇宙膨胀，天体发出的光的波长会被拉长，向光谱的红端移动。红移越大，代表着天体距离我们越远。（图/DES collaboration）

天体物理学家通过大量的超新星样本来追溯宇宙膨胀的历史，这些样本跨越了很长的距离。对于每一个超新星，他们都将距离的测量结果与红移的测量结果结合起来。他们可以利用这段历史来确定暗能量密度是保持不变还是随时间而变化。

通过使用超新星数据，最终，DES得到的结果是w=-0.8。而当结合普朗克望远镜的补充数据时，w将接近于-1。研究人员表示，我们可能需要一个更复杂的模型，或许暗能量确实会随时间变化。

宇宙膨胀的历史可以通过比较退行速度（红移）和每个超新星的距离来追溯。DES的结果表明，宇宙的膨胀的确会随着时间而加速。（图/DES collaboration）

为了得到更加明确的结论，科学家还需要更多的数据。去年7月发射的欧几里得空间望远镜，以及位于智利的新薇拉·鲁宾天文台的超新星实验，都将发现更多的超新星，从而有助于科学家对状态方程进行更精确的测量。

宇宙的命运

当天文学家第一次发现宇宙在加速时，传统的观点认为宇宙将会一直膨胀下去。然而，在我们更好地理解暗能量的本质之前，宇宙仍然有可能迎来别的结局：大挤压或大撕裂。

在大挤压模型中，宇宙最终会停止膨胀，然后逆转，导致宇宙重新坍缩。在大撕裂模型中，宇宙将会以越来越快的速度无限膨胀——最终将星系、行星系统甚至时空本身拉开。DES的最新测量结果可能就标着大撕裂模型的终结，因为在这个模型中w要小于-1。

参考来源：

https://news.fnal.gov/2024/01/final-supernova-results-from-dark-energy-survey-offer-unique-insights-into-the-expansion-of-the-universe/%20

封面图&首图：Reidar Hahn, Fermilab