[비즈한국] 宇宙正在膨脹。自138億年前大爆炸開啟宇宙以來，這一現實持續至今。但這並不是故事的全部。對於宇宙膨脹的速度以及具體方式，我們至今仍未找到標準答案。更準確地說，隨著我們對宇宙探索的深入，問題反而變得愈發複雜。
當代天文學家推測，宇宙大約從70億年前開始，膨脹速度真正地加快了。為了解釋這種宇宙的加速膨脹，人們只能假設宇宙中充滿了某種名為“暗能量”的未知能量。
儘管至今無人知曉暗能量的真面目，但過去近20年間，學術界達成了一個重要的共識：即從宇宙誕生之初到今天，暗能量的密度始終保持恆定。人們推測，與隨著宇宙膨脹、體積增加而迅速稀釋的暗物質和光不同，暗能量一直維持著均勻的密度。彷彿隨著宇宙體積的增加，暗能量的總量也在相應增加。只有這樣，我們才能解釋宇宙那不斷加速的膨脹。
然而，最近這一信念開始動搖了。或許暗能量隨著時間的推移正在逐漸減少。因為宇宙看起來正從曾經強力踩下加速踏板的狀態，緩緩地移開腳步。雖然它仍在踩著油門，膨脹仍在加速，但這意指加速的幅度似乎正在逐漸放緩。或許，宇宙的“時間”本身就是隨著時間推移而呈現出不同的演化方式。
許多人誤以為暗能量是一個突然出現的概念，認為是在1998年透過超新星觀測，才產生了“宇宙加速膨脹”和“暗能量”這一全新概念。但這是一個明顯的誤解。早在更久之前，就有學者提出宇宙中必須存在某種能夠抵消重力的、類似於負壓的能量。
愛因斯坦早年曾感到不安，因為他的方程式指向一個會因自身重力而坍縮的宇宙。為了讓宇宙能夠維持而不坍縮，他隨意增加了一個抵禦重力的項。追究起來，這並沒有物理學依據，只是出於他個人偏好的新增項。這就是所謂的“宇宙常數”，用希臘字母Lambda（Λ）表示。正如“常數”這一名稱所示，人們認為這種對抗重力的存在，從過去到現在，其值一直保持不變。
後來，隨著基於計算機的宇宙學模擬成為可能，人們愈發堅信愛因斯坦的這種“權宜之計”是非常必要的措施。實際上，如果不應用愛因斯坦的宇宙常數（Lambda），模擬中的宇宙就無法承受自身重力，會迅速坍縮。
1995年，就在超新星觀測結果發表前夕，天文學家傑裡邁亞·奧斯特里克（Jeremiah Ostriker）在《自然》雜誌發表論文，確立了宇宙常數不為零的宇宙模型，主張為了實現真實宇宙的樣子，未知的Lambda是必不可少的。像這樣，理論天體物理學家們早已迫切需要Lambda。沒過多久，觀測天文學家透過超新星觀測，捕捉到了Lambda在真實宇宙中起作用的跡象。
儘管基於區區40多顆超新星的觀測存在很大誤差，但這一發現之所以能被迅速接受，是因為這正是所有人期待已久的答案。暗能量和Lambda這一概念，絕非一夜之間憑空冒出來的。這是在長期期盼下，宇宙最終給予我們的回應，即“宇宙加速膨脹”與“暗能量”的發現。
由暗能量、Lambda以及僅對重力產生反應的冷暗物質所組成的宇宙，即目前的標準宇宙學模型，被稱為ΛCDM（Lambda-CDM）模型。雖然它非常出色地解釋了宇宙，但我們不得不承認，目前仍不知道Lambda究竟是什麼。為了更深入地窺探暗能量的秘密，天文學家們正在進行專門針對暗能量的全新觀測專案。該專案從名字就包含了暗能量，即“暗能量光譜儀（Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI）”。它利用位於美國亞利桑那州基特峰國家天文臺的4米望遠鏡，繪製整個宇宙的星系地圖。
最近，DESI團隊公開了迄今為止觀測到的多達1870萬個天體的影象和光譜資料。其中，我們銀河系的恆星只有400萬顆。其餘包括1300萬個處於銀河系之外的星系，甚至還包括160萬個在宇宙盡頭噴發出明亮閃光的類星體。這僅僅是未來將要完成的DESI觀測任務中的極小一部分。未來將有更龐大的資料湧現。
為了確認宇宙是否從過去到現在一直以同樣的力度踩著加速踏板，我們需要觀察宇宙的膨脹率從遙遠的過去至今發生了怎樣的變化。為此，必須精確測量到遙遠星系的距離。通常利用造父變星或超新星，但這對於像DESI這樣的大規模觀測並不適用。造父變星畢竟是普通的恆星，只要距離稍微變遠，就很難一一辨認。超新星雖然明亮，但無法預測何時何地會爆發，純粹是靠“運氣”。因此，DESI採用了另一種稍微陌生一點的距離測量工具。
宇宙誕生之初處於高溫等離子體狀態。光與粒子混合在一起。在密密麻麻阻擋路徑的高密度粒子湯中，光無法自由穿梭。同時，這一時期的宇宙受量子力學支配。各處隨機產生高低起伏的密度波動。密度較高的區域以稍強的重力吸引周圍物質，同時由於溫度升高，光壓將物質向外推開。在重力和光壓互相抗衡的過程中，形成了類似於聲音的壓力波並向四面八方擴散。以宇宙各處密度略高、密度波動的峰值為中心，這種“宇宙聲波”傳播開來。
隨著宇宙逐漸膨脹，溫度降低，熾熱的粒子重新結合為電子和原子，宇宙變得清澈。光得以穿過粒子間的縫隙自由傳播，光壓也不再在粒子上留下波紋。直到那一刻為止傳播的初期密度波動的聲波，被完整地鐫刻在宇宙中。此時形成的最初振動在早期宇宙的物質分佈中留下了痕跡，並以那些圓形擴散形成的密度較高區域為中心，誕生了新的星系。
最初的振動大小是特定的。考慮到膨脹至今的宇宙規模，振動大約擴散到了半徑4.9億光年的範圍。令人驚奇的是，如果繪製今天真實宇宙中的星系地圖，會發現兩個星系之間距離4.9億光年的情況，在統計學上比假設星系隨機分佈的情況更為常見。這清晰地表明，宇宙初期光與物質纏繞在一起，在特定時間點分離時，在宇宙中留下了特定大小的烙印。這種在初期宇宙像聲波一樣擴散並留下的振動痕跡，被稱為重子聲波振動（Baryon Acoustic Oscillation, BAO）。
正如前面所述，BAO被限定在特定的尺度上。它成為一種已知精確距離的“標準尺度”。以分佈在遙遠宇宙中的星系為物件，統計對比各星系間的距離間隔，就可以測出該處的BAO尺度。我們已經知道實際的BAO尺度，因此透過對比，就可以得知星系距離我們有多遠。進而透過比較它們的距離和遠離我們的速度，自然就能得出遙遠過去的宇宙膨脹率。
但這僅靠此還有侷限性。因此，DESI團隊在其中新增了反映宇宙演化的多種約束條件。例如，同時應用了大爆炸核合成等能體現早期宇宙元素比例的條件。透過這些，DESI團隊推測宇宙膨脹率的哈勃常數約為68.5±6。這與基於遍佈宇宙的大爆炸餘熱——宇宙微波背景輻射推測出的67.4±0.5非常接近。至今，透過星系退行現象和宇宙微波背景輻射兩種方式推測的哈勃常數差異巨大，令天文學家困擾的“哈勃張力”難題，終於讓人看到了解決的希望。
然而，真正的問題才剛剛開始。隨著DESI資料中應用了更多樣化的約束條件，結果越來越偏離現有的ΛCDM模型。最終，天文學家們採取了大膽的嘗試——應用了一個名為CPL（Chevallier–Polarski–Linder）模型的新模型。不再使用始終保持恆定的Lambda（宇宙常數），而是引入了隨時間演化的暗能量。這意味著在宇宙狀態方程中應用的暗能量變數w不再是一個始終為-1的恆定值，而是存在變化率。
如果現有的標準模型是正確的，且暗能量始終恆定，那麼w應當為-1，其變化率wₐ應當為0。然而，如果將宇宙微波背景輻射、超新星等標準燭光資料綜合應用於DESI資料，w收斂於-0.75。在統計學上，這一結果達到了4.2個西格瑪（σ）。這意味著該結果僅僅是統計學偶然的可能性只有0.1%左右。通常在科學界，超過3個西格瑪即被認為是有必要關注的顯著訊號。當然，雖然還未達到科學界“確鑿證據”標準的5個西格瑪，但這顯然暗示著我們的宇宙和我們的宇宙觀正在發生變化。
因此，最近一些天文學家主張拋棄將Lambda固定為常數的現有ΛCDM模型，轉向新的模型。該模型被稱為w₀wₐ-CDM模型。其中w₀代表現在的w，wₐ代表其變化率。換句話說，為了描述過去特定時間的w，不能簡單地假設它與現在的w相同，而必須乘以期間的變化率，來推算過去w值究竟是大是小。
DESI團隊的最新成果從根本上扭轉了我們對宇宙終結的看法。根據認為暗能量會持續存在的現有模型，宇宙的加速膨脹將變得無法控制且越來越快，最終導致一切都在原子層面分崩離析的“大撕裂（Big Rip）”。所有光和熱都將消失，迎來“熱寂（Heat Death）”。然而，如果按照這次的結果，即雖然存在暗能量，但它在逐漸減少，那麼宇宙膨脹的加速度會逐漸趨近於0，宇宙可能會迎來緩慢冷卻的“大凍結（Big Freeze）”。如果宇宙遵循這樣的命運，星系團和超星系團等宇宙巨大結構將能夠存活更長時間。
我們甚至可以進行更極端的想象。如果宇宙不僅在緩緩鬆開膨脹的油門，甚至還在將腳移向旁邊的剎車呢？如果是那樣，宇宙的膨脹終將停止，並重新開始重力坍縮。那麼宇宙可能會走向大爆炸之初狀態的“大擠壓（Big Crunch）”命運。當然，這都是在我們所有人消失很久以後的故事，但能夠不再僅僅透過空想，而是利用真實資料來探討那不可預知的遙遠未來，難道不是很令人興奮嗎？
參考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250314738D/abstract
作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？他熱愛貓咪與宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，立下了向世人宣傳宇宙之美的夢想。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論研究室從事透過星系相互作用進行演化的研究，並進行講座與寫作等多種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光之科學）等著作。