揭秘宇宙加速膨脹背後的暗能量：廣義相對論錯了么？

宇宙三維圖像切片圖 觀測者到星系和類星體的距離以回溯時間 （lookback time） 標註。回溯時間表示從遙遠天體發出的光到達觀測者所經歷的時間。右邊緣對應可觀測宇宙的極限，從中可以看到大爆炸之後留下的宇宙微波背景 （Cosmic Microwave Background， CMB）。 圖片來源：作者提供

位於美國阿帕奇天文台的斯隆望遠鏡 依託該望遠鏡，科學家成功完成了重子聲波振蕩（BOSS）巡天，並正在使用它對宇宙更深處的天體進行拓展重子聲波振蕩巡天（eBOSS）。照片來源：斯隆數字巡天官方網站

愛因斯坦廣義相對論預言的時空彎曲示意圖。 圖片來源：NASA

編者按

不久前，由中國科學院國家天文台參與的世界最大星系巡天eBOSS國際科技計劃合作組織利用宇宙深處的類星體測量到了顯著的重子聲波振蕩信號，這也是證明暗能量存在的一個新的獨立證據，引起了世界的廣泛關注。暗能量到底是什麼？暗能量如何觀測？宇宙加速膨脹背後的物理機制到底是什麼？愛因斯坦建立的廣義相對論錯了么？本期特邀eBOSS國際合作組星系成團性工作組聯合組長、中科院國家天文台研究員趙公博和中國科學院高能物理研究所研究員張新民從暗能量的發現談起，深入解讀這個正在推動宇宙加速膨脹的神秘力量以及國內外暗能量研究的未來發展態勢。

1、暗能量確實存在，宇宙正在加速膨脹

科學家不久前發現顯著重子聲波振蕩信號，這是人類首次利用宇宙深處的類星體進行的重子聲波振蕩測量，並在超新星、宇宙微波背景輻射觀測之後，獲得了暗能量存在的又一獨立證據，這也再次證實了宇宙在加速膨脹。

重子聲波振蕩是早期宇宙中聲波振蕩留下的遺迹，在宇宙爆炸後約38萬年，聲波振蕩信息被「凍結」。如今宇宙中，仍包含著與大爆炸時相同的重子聲波振蕩信號，所以可將其作為「標準尺」測量宇宙遙遠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，我們先簡要回顧膨脹宇宙的發現歷史。1929年，美國天文學家哈勃（Edwin Hubble）在分析了與銀河系近鄰的24個星系的觀測數據後，驚奇地發現大多數星系的光譜存在紅移現象。類比於經典物理學中的多普勒現象，星系光譜的紅移表明這些天體在逐漸遠離我們。哈勃還發現，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，其係數被稱作哈勃常數。哈勃發現的是一種時空膨脹效應，這意味著整個宇宙處於膨脹狀態之中。這個發現在當時震驚世界，甚至讓很多人不安，因為此發現讓千百年來認為「宇宙為靜態」的觀點被打破。

哈勃發現的是一種時空膨脹效應。通常的引力效應只能讓宇宙減速膨脹，而科學家假設了一種能推動宇宙加速膨脹的未知神秘力量，稱之為暗能量，它具有負壓強，能使時空在宇宙學尺度上加速膨脹。

要確定宇宙的膨脹是加速還是減速，就要測量遙遠天體的距離和紅移關係。天文學上常用的測距方法，是通過測量天體的亮度來推斷距離，這要選取具有絕對亮度的天體作為標準。由恆星演化到最後發生爆炸而形成的超新星可以擔任這個角色。其爆發時亮度能與整個星系相比擬，從很遠的距離外都能觀測到。

1998年，由美國、澳大利亞科學家領導的兩個研究小組，幾乎同時在超新星觀測中發現了暗能量存在的證據，以此獲得了諾貝爾物理學獎——在北京時間2011年10月4日，瑞典皇家科學院宣布將2011年諾貝爾物理學獎授予美國科學家Saul Perlmutter、美國-澳大利亞科學家Brian P.Schmidt和美國科學家Adam G.Riess，以表彰他們一項震驚世界的科學發現：宇宙正在加速膨脹！

此次的重子聲波振蕩信號是人類首次通過觀測宇宙深處的類星體成團性發現的。這些類星體非常遙遠，現在看到的是它們在宇宙誕生後30億年到70億年間發出的光，遠在地球形成之前。

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

那麼什麼是類星體？為什麼會選擇用它來觀測？類星體是1963年被天文學家發現的一類特殊天體。它們因為看起來是類似恆星的天體而得名，實際上卻是銀河系外能量巨大的遙遠天體。它們的中心其實是質量在太陽千萬倍以上的超質量黑洞。這些黑洞周圍豐富的物質發出巨大能量，使得類星體成為宇宙中最耀眼的天體。幾乎在整個宇宙空間中，我們都能看到類星體。

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

2015年至今，eBOSS國際合作組順利完成了類星體巡天觀測和數據處理，以及暗能量等宇宙學前沿問題研究，證實了利用紅移類星體開展宇宙學研究的可行性與優勢，為後續類星體、亮紅星系以及發射線星系巡天奠定了基礎。該項目也受到國家自然科學基金委員會和中國科學院「宇宙結構起源」先導B類專項的支持。

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

在實驗觀測上，要了解宇宙在過去不同時刻的膨脹率，進而確定宇宙的膨脹是加速還是減速，就需要測量更遙遠天體的距離和紅移的關係。

天體的紅移可以通過其光譜直接測量，但是測量天體與我們的距離卻非常困難。天文學上常用的測距方法是通過測量天體的亮度（它們和天體的星等相聯繫）來推斷距離。因此，在測距過程中要選取那些具有已知的絕對亮度的天體作為觀測對象，這類天體被稱作「標準燭光」。通過測量不同紅移處標準燭光的亮度，並利用亮度與紅移（或者星等與紅移）的關係，我們就可以用它來確定宇宙膨脹率與時間的依賴關係。

宇宙中確實存在我們需要的標準燭光：Ia型超新星（SN）。此類超新星是雙星系統中，白矮星吸積物質，或雙白矮星併合引起爆發形成的。這類星體在爆發時非常明亮，在短短几周內，其亮度可以與整個星系相比擬，在很遙遠的距離上都可以觀測到。經過多年努力，由Perlmutter、Schmidt和Riess領導的兩個獨立的超新星研究小組在1998年幾乎同時發現，宇宙深處的超新星比一個通常的以物質為主的宇宙所給出的要暗。這個觀測證據表明，宇宙的膨脹正在加速！

除超新星以外，重子聲波振蕩（BAO）是探測宇宙膨脹歷史的另一枚重要探針。在宇宙早期，重子物質與光子緊密耦合，並在引力和光子壓強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逐漸相互遠離，直到宇宙大爆炸後約38萬年的微波背景輻射（CMB）時期。從此光子與重子不再相互作用，聲波振蕩過程結束，星系之間的距離被「凍結」在一個特定的宇宙學尺度上，即BAO尺度。BAO尺度大約為150兆秒差距（約4.9億光年），具體數值依賴於宇宙學參數。觀測上，我們可以通過測量不同尺度上星系對的數目（宇宙學上稱為星系的兩點關聯函數）測量BAO尺度，進而測量宇宙學參數。

由於利用BAO尺度直接受宇宙幾何影響，而且BAO測距幾乎不受系統誤差影響，BAO被稱為測量宇宙幾何的標準尺。目前國際上最大的BAO巡天實驗為美國的斯隆數字巡天（SDSS）。其第三期的重子聲波振蕩光譜巡天（BOSS）通過測量一百萬條星系光譜，首次在有效紅移0.57處把BAO距離測量精度提高到1%的水平，並成功在多個宇宙學紅移測得高精度的BAO信號，為宇宙學研究提供重要觀測支持。BAO的觀測獨立地表明，宇宙確實正在加速膨脹！

宇宙標準燭光、宇宙標準尺以及CMB在限制宇宙學參數方面高度互補。結合SN、BAO和CMB的觀測數據，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%由一種稱為暗物質的未知物質形式提供，而我們熟悉的普通物質只佔5%左右。

3、暗能量的本質決定著宇宙的命運

我們可以看出宇宙膨脹加速，即宇宙標度因子對時間的二階導數為正，宇宙中總的壓強必為負值，即今天的宇宙是由一種具有很強負壓的物質所主導（重子物質和暗物質壓強為0）。這種神秘的負壓物質就是暗能量。我們目前對暗能量的本質知之甚少，只了解它具有負壓強，且近乎光滑，即不結團。暗能量的更多性質由其壓強與能量密度的比值，即狀態方程參數來描述。

暗能量的本質決定著宇宙的命運。如果加速膨脹是由真空能引起的，那麼宇宙將永遠延續這種加速膨脹的狀態。宇宙中的物質和能量將變得越來越稀薄，星系之間互相遠離的速度將變得非常快，新的結構不可能再形成。如果導致當今宇宙加速膨脹的暗能量是動力學的，那麼宇宙的未來將由暗能量場的動力學決定，有可能會永遠加速膨脹下去，也有可能重新進入減速膨脹的狀態，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的，即膨脹-收縮-再膨脹-再收縮……循環往複。

從天文觀測數據中提取暗能量狀態方程隨紅移（即時間）的演化歷史，對於探索暗能量的本質至關重要，因此，這也是國內外許多正在運行（SDSS巡天）和計劃中的大型巡天計劃（DESI、Euclid、LSST等）的首要科學目標之一。

4、愛因斯坦建立的廣義相對論錯了么

愛因斯坦建立的廣義相對論是迄今為止最成功的引力理論。其正確性從實驗室尺度到太陽系尺度都得到了高精度的驗證。然而，在宇宙學尺度上，廣義相對論的正確性還只是假設。目前的實驗觀測精度還不足以在如此大的時空尺度上證實或者證偽廣義相對論。因此，宇宙時空的加速膨脹現象原則上有可能通過修正或者推廣廣義相對論實現。

實際上，這並不是科學家第一次感到引力理論有修正的必要。20世紀初，愛因斯坦意識到牛頓引力論（即絕對時空觀）既不適用於接近光速運動的物體，也不能準確描述強引力場中的物體。因此，他大膽地使用相對時空觀取代了絕對時空觀，建立了狹義和廣義相對論，為百年來的物理和天文學研究奠定了基石。愛因斯坦場方程的右邊是表徵物質的分布和運動的物理量，稱為能量-動量張量，而方程左邊則是時空曲率。此方程清楚表明，廣義相對論認為物質的分布和運動決定了時空曲率，而時空曲率又反過來影響物質的運動和分布。如前文所述，由物質主導的宇宙無法使時空加速膨脹，因而引入具有負壓的暗能量。這實際上是修正愛因斯坦方程右側。而另一種解決方案則是直接修正時空曲率項，即修正愛因斯坦方程左側，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），但是它們卻預言了完全不同的宇宙結構形成歷史（即1階擾動量）。因此，利用星系大尺度結構巡天，我們可以通過觀測宇宙的結構形成，來區分修正引力與暗能量這兩種物理機制，並對修正引力模型進行觀測限制。

目前已建立的修正引力模型包括標量-張量理論、矢量-張量理論、帶質量引力理論等。數學形式上，這些理論都要比廣義相對論複雜，因此要研究這些理論預言的宇宙結構形成往往需要藉助大規模數值模擬。

5、未來5至10年是暗 能量研究的黃金時代

「工欲善其事，必先利其器。」對於暗能量的研究來說，開展大規模的巡天實驗是重中之重。未來5到10年內，我國和國際上將運行一批（國際上稱為第四代）大型地面和空間暗能量項目，包括我國的空間站巡天，天籟計劃，國際上的DESI，Euclid等項目，揭示宇宙加速膨脹背後的新物理。

這些項目將從宇宙小尺度（星系或者星系團尺度）到大尺度（星系成團尺度和宇宙背景演化尺度）全面檢驗暗能量動力學和廣義相對論。它們將通過對宇宙標準燭光（超新星）和宇宙標準尺（BAO）的精確測量重建暗能量演化歷史，並將通過紅移畸變（RSD）、等效原理檢驗等手段精確檢驗廣義相對論。此外，位於我國西藏阿里地區的「阿里計劃」CMB實驗將在五年內建成並運行，該實驗將對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代。相信在全世界科學家的共同努力下，揭開暗能量神秘面紗的時刻指日可待。

（作者：趙公博 張新民）

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