“疑问远比答案来得多。”

配图说明：一幅插画形象地展示了宇宙后期，宇宙网结构逐渐瓦解的场景。图源：Robert Lea (由Canva制作)

暗能量可能有个“帮凶”，一起拖慢了宇宙大型结构（比如由星系团组成的巨大超星系团）的成长速度。

一项对天文数据的分析表明，可能有未知的物理机制在起作用，帮助暗能量扮演着近乎“反重力”的角色。它抵消了引力的作用——要知道，引力可是负责把物质聚拢、建造这些庞然大物的功臣。

宇宙的大尺度结构指的是由星系、星系团和超星系团组成的庞大互联图案，它们像丝线、空洞和墙壁一样排列，构成了所谓的“宇宙网”。数十亿年来，引力一直在塑造这个结构。但研究团队发现，相比遥远的138亿年前，如今这个结构形成的速度变慢了。

配图说明：来自“星系演化与环境集合”(EAGLE)项目的宇宙网可视化图像。图源：EAGLE项目

研究人员通过分析“重子振荡光谱巡天”（BOSS）项目的数据，发现了这些线索。

BOSS项目测绘了发光红星系（LRG）和黑洞驱动的类星体的空间分布，目的是探测早期宇宙的物质密度变化（称为“重子声波振荡” ）。这些振荡的信息被“冻结”在一种叫做“宇宙微波背景辐射”（CMB）的宇宙化石里。

“我们发现，BOSS巡天观测到的星系显示，现今宇宙的结构形成速度比预期的要慢，”团队负责人、普林斯顿大学研究员陈世帆（Stephen Chen 音译）称。“实际上，我们的结果表明，这种减缓似乎与暗能量本身关系并不大。”

为什么暗能量可能不在单干？

暗能量是科学家给“任何导致宇宙加速膨胀的东西”起的临时名字。它是在1998年由两个独立的天文团队发现的，被认为占宇宙总能量和物质组成的约70%。

目前对暗能量的“最佳解释”是“宇宙学常数”（用希腊字母Lambda, Λ表示），它包含在宇宙学的标准模型（也称为Λ冷暗物质模型，ΛCDM）中。

配图说明：一个展示宇宙物质-能量组成的饼图 图源：Robert Lea (由Canva制作)

宇宙学常数代表“真空能量”，或者说“空无一物的空间所具有的能量”。这听起来非常奇怪，因为它与成对的物质和反物质粒子在瞬间凭空出现又消失有关。如果一个物质粒子和一个反物质粒子在有限空间内被制造出来（它们能量相等但性质相反），那么这个空间的总能量实际上还是零。

这有点像宇宙的“透支额度”——不过借的不是钱，而是能量。但就像银行一样，宇宙最终要求归还能量，于是这些虚拟粒子就通过彼此湮灭来还债。

这意味着“空无一物的空间”永远不能保证真的空无一物。

尽管“物质凭空出现”听起来疯狂，但我们已经在实验中验证了它。全球实验室都观测到的“卡西米尔效应”，就是虚拟粒子及其产生的量子涨落（从而产生真空能量）的一个著名例子。

配图说明：动画展示“空”的空间其实从不真空，虚拟粒子不断凭空出现又消失。图源：Derek Leinweber

关键点在此：如果暗能量就是宇宙学常数，那么它就应该永恒不变。所以在ΛCDM模型中，尽管暗能量引起了宇宙膨胀速度的变化，但这个常数本身不该改变。

然而最近，“暗能量光谱仪”（DESI）的实验结果出现了异常，暗示暗能量可能随时间变化，这在宇宙学家中引起了轰动。这种变化的或称为“动态暗能量”的现象，与ΛCDM模型矛盾。

“DESI的最新结果表明，暗能量可能不是宇宙学常数，而是会随时间演化——我们很好奇，这种与ΛCDM模型的矛盾是否与我们观测到的结构形成减缓有关，”陈世帆说。

但事与愿违，用BOSS数据核对DESI的结果，反而给团队带来了更大的谜团。

暗能量和宇宙学常数

不管暗能量到底是什么（是宇宙学常数也好，别的也罢），时空的膨胀只作用于极其巨大的尺度。所以放心吧，你眼前的咖啡杯是不会被“撑大”的。

然而，我们确实能看到遥远的星系正以越来越快的速度远离我们。我们还能在那些“冻结”在宇宙微波背景辐射（CMB）中的重子声波振荡（BAO）波动里观察到它们的影响。因为这束来自大爆炸后不久事件的“化石光”，几乎均匀地洒满了整个宇宙。

因此，暗能量作为一种推开星系的力量，在阻止像星系团和超星系团这样的大型结构形成方面发挥作用，也就不足为奇了。陈世帆（Stephen Chen）及其同事研究结果的非凡之处在于，他们发现现今宇宙中的大尺度结构数量甚至比宇宙学标准模型（ΛCDM模型）和允许暗能量变化的所有预期都要少得多。这意味着还有别的、新的未知机制在起作用，其身份尚不明确。

“对于为何观测到的晚期宇宙结构规模总是略低于预期值，学界已经提出了许多不同的理论解释，”陈世帆表示，“但目前还没有确切的答案。”

配图说明：暗能量驱动下的宇宙膨胀，星系如同膨胀气球表面的点相互远离。图源：Robert Lea (由Canva制作)

不过，关于大规模宇宙结构形成减缓的线索并非全无头绪。这种减缓似乎发生在暗能量开始主导宇宙的同一时期。

当物质统治宇宙时

暗能量如今可能统治着宇宙。但情况并非一直如此。大爆炸之后，宇宙首先由辐射主导，驱动了其急速的膨胀。

大约在大爆炸后7万年，宇宙冷却到足以让引力压倒辐射压力。这减缓了最初由大爆炸驱动的膨胀，使其几乎停止，这时第一批物质聚集物、恒星和星系才得以形成。

大约在大爆炸后90到100亿年（距今约40到50亿年前），奇怪的事情开始发生。宇宙再次开始膨胀。不仅如此，这次的膨胀开始加速，并且至今仍在加速中。

这便是暗能量主导时代的开端；问题在于，无人知晓从物质主导到暗能量主导的“开关”是如何发生的。

配图说明：基于大爆炸理论和暴胀模型的宇宙时间线示意图。图源：NASA/WMAP

“BOSS数据探测的是暗能量刚开始发力的宇宙时期，我们认为这种减缓不可能比那个时期早太多发生，”陈世帆解释说。

因此，虽然暗能量似乎与这种减缓有关，但这股神秘力量仍无法完全解释为何在现代宇宙中大型宇宙结构的形成会变慢。

“当我们将这些星系的‘特殊速度’（称为红移空间畸变）探测结果，与它们对CMB产生的弱引力透镜效应的交叉关联数据结合起来分析时，我们发现我们的结果纯属偶然发生的概率仅为30万分之一，”陈世帆说，“这表明，要么存在某种未知的物理定律在起作用，要么BOSS数据中存在某种未知的系统性误差。”

这位研究人员补充道，随着更好的数据即将到来（包括上周首次发布的DESI星系分布公开数据），团队将再次应用他们的方法，将结果与现有发现进行比较，以探测是否存在统计上显著的差异。

“我认为目前还是疑问多于答案，”陈世帆总结道，“这项研究无疑强化了这样一个观点：当在标准的宇宙学ΛCDM模型框架内解读时，不同的宇宙学数据集之间正开始出现矛盾。”

该团队的研究成果已发表在《物理评论快报》杂志上。

BY:Robert Lea

FY:忙碌的北門

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