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(biāo)注?；厮輹r間表示從遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光到達(dá)觀測者所經(jīng)歷的時間。右邊緣對應(yīng)可觀測宇宙的極限，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

　　位于美國阿帕奇天文臺的斯隆望遠(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

愛因斯坦廣義相對論預(yù)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(xué)院國家天文臺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(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？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論錯了么？本期特邀eBOSS國際合作組星系成團(tuán)性工作組聯(lián)合組長、中科院國家天文臺研究員趙公博和中國科學(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，深入解讀這個正在推動宇宙加速膨脹的神秘力量以及國內(nèi)外暗能量研究的未來發(fā)展態(tài)勢。

　　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，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量，并在超新星、宇宙微波背景輻射觀測之后，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相同的重子聲波振蕩信號，所以可將其作為“標(biāo)準(zhǔn)尺”測量宇宙遙遠(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，我們先簡要回顧膨脹宇宙的發(fā)現(xiàn)歷史。1929年，美國天文學(xué)家哈勃（Edwin Hubble）在分析了與銀河系近鄰的24個星系的觀測數(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)的是一種時空膨脹效應(yīng)，這意味著整個宇宙處于膨脹狀態(tài)之中。這個發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時震驚世界，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，就要測量遙遠(yuǎn)天體的距離和紅移關(guān)系。天文學(xué)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(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)任這個角色。其爆發(fā)時亮度能與整個星系相比擬，從很遠(yuǎn)的距離外都能觀測到。

　　1998年，由美國、澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的兩個研究小組，幾乎同時在超新星觀測中發(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——在北京時間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)獎授予美國科學(xué)家Saul Perlmutter、美國-澳大利亞科學(xué)家Brian P.Schmidt和美國科學(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是人類首次通過觀測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)在看到的是它們在宇宙誕生后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國際合作組的專家都是用星系進(jìn)行重子聲波振蕩測量，而這次是用類行星，并且是高紅移的類星體進(jìn)行測量，這與之前利用低紅移星系進(jìn)行的測量形成了很好的互補(bǔ)。

　　那么什么是類星體？為什么會選擇用它來觀測？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，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國際合作組順利完成了類星體巡天觀測和數(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，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)目也受到國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(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)觀測上，要了解宇宙在過去不同時刻的膨脹率，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量，但是測量天體與我們的距離卻非常困難。天文學(xué)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(lián)系）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(biāo)準(zhǔn)燭光”。通過測量不同紅移處標(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)時非常明亮，在短短幾周內(nèi)，其亮度可以與整個星系相比擬，在很遙遠(yuǎn)的距離上都可以觀測到。經(jīng)過多年努力，由Perlmutter、Schmidt和Riess領(lǐng)導(dǎo)的兩個獨(dú)立的超新星研究小組在1998年幾乎同時發(fā)現(xiàn)，宇宙深處的超新星比一個通常的以物質(zhì)為主的宇宙所給出的要暗。這個觀測證據(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)。觀測上，我們可以通過測量不同尺度上星系對的數(shù)目（宇宙學(xué)上稱為星系的兩點(diǎn)關(guān)聯(lián)函數(shù)）測量BAO尺度，進(jìn)而測量宇宙學(xué)參數(shù)。

　　由于利用BAO尺度直接受宇宙幾何影響，而且BAO測距幾乎不受系統(tǒng)誤差影響，BAO被稱為測量宇宙幾何的標(biāo)準(zhǔn)尺。目前國際上最大的BAO巡天實(shí)驗(yàn)為美國的斯隆數(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，并成功在多個宇宙學(xué)紅移測得高精度的BAO信號，為宇宙學(xué)研究提供重要觀測支持。BAO的觀測獨(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)度因子對時間的二階導(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力學(xué)的，那么宇宙的未來將由暗能量場的動力學(xué)決定，有可能會永遠(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)。

　　從天文觀測數(shù)據(jù)中提取暗能量狀態(tài)方程隨紅移（即時間）的演化歷史，對于探索暗能量的本質(zhì)至關(guān)重要，因此，這也是國內(nèi)外許多正在運(yùn)行（SDSS巡天）和計劃中的大型巡天計劃（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(shí)驗(yàn)室尺度到太陽系尺度都得到了高精度的驗(yàn)證。然而，在宇宙學(xué)尺度上，廣義相對論的正確性還只是假設(shè)。目前的實(shí)驗(yàn)觀測精度還不足以在如此大的時空尺度上證實(shí)或者證偽廣義相對論。因此，宇宙時空的加速膨脹現(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，愛因斯坦意識到牛頓引力論（即絕對時空觀）既不適用于接近光速運(yùn)動的物體，也不能準(zhǔn)確描述強(qiáng)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(xué)研究奠定了基石。愛因斯坦場方程的右邊是表征物質(zhì)的分布和運(yùn)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(rèn)為物質(zhì)的分布和運(yùn)動決定了時空曲率，而時空曲率又反過來影響物質(zhì)的運(yùn)動和分布。如前文所述，由物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙無法使時空加速膨脹，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階擾動量）。因此，利用星系大尺度結(jié)構(gòu)巡天，我們可以通過觀測宇宙的結(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，并對修正引力模型進(jìn)行觀測限制。

　　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 能量研究的黃金時代

　　“工欲善其事，必先利其器。”對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)，我國和國際上將運(yùn)行一批（國際上稱為第四代）大型地面和空間暗能量項(xiàng)目，包括我國的空間站巡天，天籟計劃，國際上的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)暗能量動力學(xué)和廣義相對論。它們將通過對宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光（超新星）和宇宙標(biāo)準(zhǔn)尺（BAO）的精確測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)廣義相對論。此外，位于我國西藏阿里地區(qū)的“阿里計劃”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(xué)家的共同努力下，揭開暗能量神秘面紗的時刻指日可待。