什么是暗能量？在我們加速膨脹的宇宙中 _美國

據美國宇航局（切爾西·高德）：大約138億年前，宇宙開始了我們稱之為大爆炸的快速膨脹。在持續了幾分之一秒的初始膨脹之后，引力開始讓宇宙減速。但是宇宙不會一直這樣。宇宙誕生90億年后，在一種被科學家命名為暗能量的未知力量的驅動下，宇宙開始加速膨脹。
但是暗能量到底是什么呢？
簡短的回答是:我們不知道。但我們確實知道它的存在，它正在使宇宙加速膨脹，宇宙中大約68.3%到70%是暗能量。

這張信息圖概述了宇宙的歷史。美國國家航空航天局
簡史
這一切都始于造父變星
暗能量直到20世紀90年代末才被發現。但它在科學研究中的起源可以追溯到1912年，當時美國天文學家亨麗愛塔·斯萬·勒維特利用造父變星做出了一項重要發現。造父變星是一類恒星，其亮度的波動規律取決于恒星的亮度。
所有具有一定周期的造父星（造父星的周期是從明亮到暗淡再到明亮的時間）都具有相同的絕對星等或光度——它們發出的光量。萊維特測量了這些恒星，并證明了它們的亮度和光度的規則周期之間存在關系。萊維特的發現使天文學家有可能利用恒星的周期和光度來測量我們與遙遠星系中造父星（以及我們自己的銀河系）的距離。
大約在歷史的同一時期，天文學家維斯托·斯萊弗用他的望遠鏡攝譜儀觀察了螺旋星系，這種設備將光分成組成它的各種顏色，就像棱鏡將光分成彩虹一樣。他使用攝譜儀（當時相對較新的發明）來觀察來自不同譜線星系的不同波長的光。通過他的觀察，西爾弗是第一個觀察到銀河系在遙遠星系中以多快的速度遠離我們的天文學家，這被稱為紅移。這些觀察將被證明對許多未來的科學突破至關重要，包括暗能量的發現。
紅移是一個術語，當天文物體遠離我們時，來自這些物體的光會延伸出去。光的行為像波，紅光的波長最長。因此，從遠離我們的物體發出的光波長更長，延伸到電磁波的“紅端” 。
發現膨脹的宇宙
星系紅移、造父變星的周期光度關系以及測量恒星或星系距離的新能力的發現，最終在天文學家觀察到星系隨著時間的推移離我們越來越遠的過程中發揮了作用，這表明了宇宙是如何膨脹的。在接下來的幾年里，世界各地不同的科學家開始將膨脹宇宙的碎片拼湊起來。
1922年，俄羅斯科學家和數學家亞歷山大·弗里德曼發表了一篇論文，詳細介紹了宇宙歷史的多種可能性。該論文基于阿爾伯特·愛因斯坦1917年發表的廣義相對論，包括宇宙正在膨脹的可能性。
1927年，比利時天文學家喬治·勒梅特（據說他并不知道弗里德曼的工作）發表了一篇論文，其中也考慮了愛因斯坦的廣義相對論。此外，盡管愛因斯坦在其理論中指出宇宙是靜態的，但勒梅特展示了愛因斯坦理論中的方程如何實際上支持宇宙不是靜態的，而是實際上正在膨脹的觀點。
1929年，天文學家埃德溫·哈勃通過他的助手、天文學家米爾頓·赫馬森的觀測證實宇宙正在膨脹。赫馬森測量了螺旋星系的紅移。哈勃和赫馬森隨后研究了這些星系中的造父星，利用這些恒星確定了它們所在星系（或稱之為星云）的距離。他們將這些星系的距離與它們的紅移進行了比較，并跟蹤了一個物體距離我們越遠，它的紅移越大，離我們越遠的情況。兩人發現，像星系這樣的物體遠離地球的速度越快，每秒鐘超過幾十萬英里——這一觀察現在被稱為哈勃定律或哈勃-勒梅定律。他們證實，宇宙確實在膨脹。

這張合成圖像展示了有史以來最復雜、最引人注目的星系團碰撞。這個系統被正式命名為Abell 2744，由于發現了各種不同的結構，它被稱為潘多拉星團。來自錢德拉（紅色）的數據顯示氣體溫度高達數百萬度。藍色的地圖顯示了基于哈勃太空望遠鏡、甚大望遠鏡（VLT）和斯巴魯望遠鏡數據的總質量濃度（主要是暗物質）。來自HST和VLT的光學數據也顯示了星系團的組成星系。天文學家認為至少有四個來自不同方向的星系團參與了這次碰撞。
超新星顯示膨脹正在加速
科學家此前認為，隨著時間的推移，宇宙的膨脹可能會因引力而放緩，這一預期得到了愛因斯坦廣義相對論的支持。但在1998年，當兩個不同的天文學家小組觀察遙遠的超新星時，一切都發生了變化，他們注意到（在特定紅移下）恒星爆炸比預期的要暗。這些小組由天文學家亞當·里斯、索爾·珀爾馬特和布萊恩·施密特領導。這三人組因此獲得了2011年諾貝爾物理學獎。
雖然昏暗的超新星似乎不是一個重大發現，但這些天文學家正在觀察1a型超新星，已知它們具有一定的亮度。所以他們知道一定有其他因素使這些物體看起來更暗。科學家可以利用物體的亮度來確定距離（和速度），較暗的物體通常距離更遠（盡管周圍的灰塵和其他因素會導致物體變暗）。
這使得科學家們得出結論，這些超新星比他們通過觀察紅移所預期的要遠得多。
利用物體的亮度，研究人員確定了這些超新星的距離。利用光譜，他們能夠計算出天體的紅移，從而計算出它們遠離我們的速度。他們發現超新星并不像預期的那樣近，這意味著它們比以前更快地遠離我們。這些觀察使科學家最終得出結論，宇宙本身肯定隨著時間的推移膨脹得更快。
雖然已經探索了這些觀測結果的其他可能解釋，但近年來研究更遙遠的超新星或其他宇宙現象的天文學家繼續收集證據，并為宇宙隨著時間的推移而更快膨脹的觀點提供支持。這種現象現在被稱為宇宙加速。
但是，當科學家為宇宙加速建立一個案例時，他們也問:為什么？隨著時間的推移，是什么在推動宇宙更快地擴張呢？
進入暗能量。
暗能量到底是什么？
目前，暗能量只是天文學家給導致宇宙加速膨脹的神秘“東西”起的名字。
一些人認為暗能量具有向外推動太空的負壓效應。然而，我們根本不知道暗能量是否具有任何類型的力的效果。關于暗能量可能是什么有很多想法。以下是對暗能量的四種主要解釋。請記住，有可能完全是別的東西。
真空能量:
一些科學家認為暗能量是太空中一種基本的、無時不在的背景能量，稱為真空能量，它可能等于宇宙常數，宇宙常數是愛因斯坦廣義相對論方程中的一個數學術語。最初，這個常數的存在是為了平衡引力，從而產生一個靜態的宇宙。但是當哈勃證實宇宙確實在膨脹時，愛因斯坦去掉了這個常數，物理學家喬治·蓋莫夫稱之為“我最大的失誤” 。
但是當后來發現宇宙的膨脹實際上在加速時，一些科學家提出，以前不可信的宇宙常數可能實際上有一個非零值。他們認為這種額外的力對于加速宇宙膨脹是必要的。這種理論認為這種神秘成分可以歸因于一種叫做“真空能量”的東西，這是一種滲透整個空間的理論背景能量。
空間從來都不是空的。根據量子場論，存在虛粒子，或粒子和反粒子對。人們認為，這些虛擬粒子幾乎一出現在宇宙中就會相互抵消，這種突然出現又突然消失的行為可能是由充滿宇宙并將空間向外推的“真空能量”實現的。
雖然這一理論一直是一個熱門的討論話題，但研究這一選擇的科學家已經計算出理論上太空中應該有多少真空能量。他們表明，要么應該有如此多的真空能量，以至于在一開始，宇宙會以如此快的速度和如此大的力量向外膨脹，以至于沒有恒星或星系可以形成，要么…應該絕對沒有。這意味著宇宙中的真空能量肯定比這些預測中的要小得多。然而，這種差異尚未得到解決，甚至獲得了“宇宙常數問題”的綽號。
精髓:
一些科學家認為，暗能量可能是一種充滿空間的能量流體或能量?。湫形絞接胝Ｎ鎦氏嚳? ，其數量和分布在時間和空間上都有所不同。這種暗能量的假設版本被戲稱為精粹，以古希臘哲學家討論的理論上的第五元素命名。
一些科學家甚至提出，精髓可能是暗能量和暗物質的某種結合，盡管這兩者目前被認為是完全獨立的。雖然這兩者對科學家來說都是主要的謎團，但暗物質被認為占宇宙中所有物質的85% 。
空間褶皺:
一些科學家認為暗能量可能是宇宙本身結構的一種缺陷；像宇宙弦一樣的缺陷，這是一種假設的一維“皺紋”，被認為是在早期宇宙中形成的。
廣義相對論的一個缺陷:
一些科學家認為暗能量不是我們可以發現的物理現象。相反，他們認為廣義相對論和愛因斯坦的引力理論以及它在可觀測宇宙尺度上的工作方式可能存在問題。在這個解釋中，科學家認為有可能修改我們對引力的理解，從而解釋在不需要暗能量的情況下對宇宙的觀察。愛因斯坦實際上在1919年提出了這樣一個被稱為幺模引力的想法，這是廣義相對論的修改版本，今天的科學家認為它不需要暗能量來理解宇宙。
未來
暗能量是宇宙最大的謎團之一。幾十年來，科學家們已經對我們膨脹的宇宙進行了理論化。現在，有史以來第一次，我們有足夠強大的工具來測試這些理論并真正研究這個大問題:“什么是暗能量？”
美國國家航空航天局在歐洲航天局（ESA）的歐幾里德任務（2023年發射）中發揮了關鍵作用，該任務將繪制一幅宇宙3D地圖，以了解物質如何隨著時間的推移被暗能量撕裂。這張地圖將包括對距離地球100億光年的數十億個星系的觀測。
美國國家航空航天局的Nancy Grace Roman太空望遠鏡將于2027年5月發射，旨在研究暗能量和許多其他科學主題，并將創建3D暗物質地圖。羅曼的分辨率將與美國國家航空航天局的哈勃太空望遠鏡一樣清晰，但視野要大100倍，使其能夠捕捉更廣闊的宇宙圖像。這將使科學家能夠繪制物質如何在宇宙中構成和分布的地圖，并探索暗能量如何表現以及隨時間的變化。羅曼還將進行一項額外的調查來探測Ia型超新星
除了美國國家航空航天局的任務和努力之外，維拉·魯賓天文臺也準備支持我們對暗能量日益增長的理解。該天文臺得到了包括美國國家科學基金會在內的一個大型合作機構的支持。地面觀測站預計將于2025年投入使用。
歐幾里德、羅曼和魯賓的共同努力將開創宇宙學的新“黃金時代”，科學家們將收集比以往任何時候都更詳細的關于暗能量巨大奧秘的信息。
此外，美國國家航空航天局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（2021年發射）是世界上最強大和最大的太空望遠鏡，旨在為多個研究領域做出貢獻，并將為暗能量研究做出貢獻。
美國國家航空航天局的SPHEREx（用于宇宙歷史、再電離時代和國際海洋考察理事會探測器的分光光度計）任務計劃不遲于2025年4月發射，旨在調查宇宙的起源。科學家們預計，SPHEREx收集的數據將有助于加深我們對暗能量的了解。SPHEREx將在近紅外光下觀測整個天空，包括4 。5億多個星系。
美國國家航空航天局還支持一個名為暗能量探索者的公民科學項目，該項目使世界上任何人，甚至那些沒有受過科學訓練的人，都能幫助尋找暗能量的答案。
*簡短說明*
最后，澄清一下，暗能量不同于暗物質。它們的主要相似之處是我們還不知道它們是什么！