當暗能量崛起時是什麽感覺？

想象一下，眺望宇宙：超越銀河系的恒星和離我們最近的星系，一直到我們能找到的最遙遠的物體。 當我們這樣做時，檢查數十億光年外出現的星系、類星體和其他形式的物質，我們看到的不是今天的樣子，而是遙遠的過去：當它們的光首次發射時。 在早期，宇宙更熱、更密集，充滿了更小、更年輕、前進演化程度更低的星系。 我們在宇宙歷史中看到的光只有在穿越這些廣闊的宇宙距離之後才能到達我們的眼睛，並且只有在光被膨脹的空間結構拉伸之後才能到達我們的眼睛。

正是這些早期訊號，以及當我們看向越來越遙遠的物體時，光如何被拉伸到更長波長（即紅移）的過程，教會了我們宇宙在其整個歷史中是如何膨脹的。 透過收集這些數據，我們了解到宇宙不僅在膨脹，而且遙遠的物體似乎在加速，越來越快，因為它們相互後退：發現宇宙加速膨脹。 這就是我們發現暗能量並測量其性質的方式，永遠改變了我們對宇宙的概念。 這是暗能量第一次接管膨脹的宇宙時的樣子。

在熱大爆炸開始時，宇宙正在迅速膨脹，充滿了高能、非常密集的超相對論量子。 輻射占主導地位的早期階段讓位於幾個後期階段，其中輻射占主導地位，但從未完全消失，而物質隨後隨著時間的推移聚整合氣體雲、恒星、星團、星系，甚至更豐富的結構，同時宇宙繼續膨脹。 圖片來源 ：CfA/M. Weiss

想象一下，你不是一個人，而是一個無所不知的存在，不僅在熱大爆炸的最初時刻就在附近，而且能夠隨時跟蹤兩個不同的位置。 其中一個位置將對應於我們今天銀河系的最終位置，而另一個位置將對應於一個遙遠的、不相連的星系，該星系與銀河系附近的任何事物都沒有重力繫結：不是本星系群，不是室女座星系團，不是 拉尼亞凱亞 的任何組成部份，等等。

如果你一開始就知道這些位置，並從熱大爆炸開始到現在跟蹤它們，你會觀察到什麽？ 答案是，這兩個位置會彼此遠離，不僅宇宙膨脹的速度，而且這些區域的特性，包括它們所看到的，都會隨著時間的推移而改變。

最初，沒有光訊號能夠從一個區域自由傳播到另一個區域; 你必須等到宇宙達到 380,000 歲的年齡，因為那是宇宙對光變得透明的時候。 宇宙微波背景最初是可見的，會逐漸消失為紅外線，然後是微波波長。 隨著時間的流逝，你會看到分子雲的形成和收縮，然後是恒星和黑洞在一系列早期星雲中形成，然後是星團的合並，導致原星系。 然後，這些原始星系將合並、重力和增長，演變成成熟的星系，這些星系存在於星系群和星團中。 最終，這些早期星系將演化成更熟悉的現代星系，經歷漫長而安靜的時代，期間不時出現恒星形成。

與當今銀河系相媲美的星系數量眾多，但與我們今天看到的星系相比，類似銀河系的年輕星系本質上更小、更藍、更混亂、氣體更豐富。 對於第一個星系來說，這種效應達到了極端。 早在我們所見，星系就遵守這些規則。 圖片來源 ：NASA、ESA、P. van Dokkum（美國耶魯大學）、S. Patel（美國萊頓大學）和 3-D-HST 團隊

這就是宇宙本身的樣子，不僅僅是銀河系和隨機遙遠星系所在的位置，而是整個廣闊的空間。 然而，我們通常不會談論的一件事是，就這些遙遠物體的紅移而言，我們會看到什麽。 宇宙的一大特性是物理定律似乎是恒定的：在整個時間中保持不變。 這意味著原子總是並且總是會吸收和發射非常特定波長的光：波長在任何地方都是相同的，並由原子內電子所占據的能階決定。

透過辨識一系列對應於同一元素的原子吸收或發射線，我們可以測量我們的觀察結果相對於我們觀察到的波長在實驗室中靜止時的變化。 這種偏移，如果它被拉伸到更長的波長，則稱為紅移，如果它被壓縮到更短的波長，則稱為藍移，幾乎總是被觀察到是遙遠星系的紅移，紅移通常隨著距離的增加而增加。 透過測量這兩個特性——紅移和距離——在足夠廣泛的具有不同內容的物體陣列中，我們可以使用這些測量來重建膨脹宇宙的歷史。

這張圖顯示了1550顆超新星，它們是萬神殿+分析的一部份，繪制為星等與紅移的函數。 幾十年來（自1998年以來），超新星數據一直指向一個以特定方式膨脹的宇宙，它需要超越物質、輻射和/或空間曲率的東西：一種驅動膨脹的新形式的能量，稱為暗能量。 這些超新星都沿著我們標準宇宙學模型預測的路線落下，即使是紅移最高、距離最遠的Ia型超新星也遵循這種簡單的關系。 圖片來源 ：D. Brout et al./Pantheon+，ApJ 送出，2022 年

在我們的實際現實中，我們不是無所不知的，也不可能同時無處不在：我們只能在時空的某個點進行觀察：此時此地，這是來自整個宇宙中所有可見的遙遠物體的光最終到達我們的位置和時刻。 但是，也許值得註意的是，正是這個練習——測量宇宙中各種物體的距離和紅移——使我們能夠推斷出我們最初的假設場景的答案，即空間中的兩個點，一個對應於我們自己，一個對應於遙遠的、不受束縛的星系，如何在宇宙時間中彼此後退。

原因很簡單：當我們觀察來自相對鄰近星系的光時，它的光會紅移，其紅移量對應於宇宙從發出光到我們觀察到它時膨脹的量。 來自稍遠星系的光的紅移量略大：與較近的星系相同，加上由於距離較遠而發生的額外膨脹量。 隨著我們在越來越遠的距離上積累越來越多的物體，我們可以利用這些數據來構建一條曲線，告訴我們宇宙在其宇宙歷史中是如何膨脹的。

而且，由於宇宙在其宇宙歷史中膨脹的方式與整個宇宙在其歷史中存在的不同形式的能量有關並由其決定，因此我們也可以了解宇宙是由什麽組成的。

表觀膨脹率（y軸）與距離（x軸）的關系圖與過去膨脹速度更快的宇宙一致，但遙遠的星系今天在衰退中加速。 這是哈伯原作的現代版本，比哈伯的原始作品延伸了數千倍。 請註意，這些點不形成直線，這表明膨脹率隨時間的變化。 宇宙遵循它所遵循的曲線這一事實表明了暗能量的存在和晚期的主導地位。 圖片來源 ：Ned Wright/Betoule et al. （2014）

一旦我們知道了宇宙是由什麽組成的，我們就可以利用我們所擁有的關於各種形式的能量如何隨時間演變的資訊來回答這個最初的問題：如果我們能夠在整個宇宙歷史中跟蹤單個星系的距離和紅移（從我們的角度來看），我們會看到什麽。 答案可能有點違反直覺，但它不僅揭示了暗能量是什麽，而且揭示了它如何影響宇宙的膨脹，這具有極大的說明性和教育意義。

在最早的階段，首先從遠處物體到達的光會告訴你它的距離和紅移。 與我們今天看到的相比，與該物體的距離相對較小，而與我們今天看到的相比，觀察到的紅移會相當大。 如果我們將其解釋為都卜勒頻移，那麽這種紅移可以與明顯的衰退速度相對應：所討論的物體似乎遠離我們的速度有多快。

實際上，並不是物體的運動導致了紅移，盡管朝向（藍移）或遠離（紅移）觀察者的運動肯定會引起這種影響。 相反，光在空間結構中傳播的事實——當光傳播時織物會膨脹——導致了我們觀察到的紅移。

這個簡化的動畫顯示了在膨脹的宇宙中，光如何紅移以及未繫結物體之間的距離如何隨時間變化。 請註意，這些物體開始時比光在它們之間傳播所需的時間更近，由於空間的膨脹，光會紅移，並且兩個星系之間的距離比它們之間交換的光子所走的光傳播路徑要遠得多。 膨脹的宇宙不是時間轉換不變的。 圖片來源 ：Rob Knop

最初，與其他星系外物體的距離會很小，而紅移會很大：我們會推斷這個遙遠的星系正在以非常快的速度遠離我們。 但是，當我們允許時鐘向前執行時，這些物體的距離和推斷速度都會發生顯著變化，但方向彼此相反。

光可能以特定的波長發射，但宇宙的膨脹會在它行進時拉伸它。 當考慮一個來自13+十億年前的光的星系時，紫外線發出的光將一直轉移到紅外線中。 宇宙膨脹得越快，來自遙遠物體的光就會越紅移，它就會顯得越暗。 圖片來源 ：Larry McNish/RASC 卡加利

當你在大爆炸的背景下思考膨脹的宇宙時，這是有道理的。 一場偉大的宇宙競賽正在進行中：在重力和初始膨脹率之間，前者努力將所有東西拉回一起，後者努力將所有東西分開。 這場競賽已經進行了138億年，而大爆炸是發令槍。 宇宙中的萬物最初開始遠離其他萬物，以極快的速度開始，而重力則盡其所能地將萬物拉回原處。 你可以想象事情會如何發展的多種可能的命運。

如果宇宙的物質密度略高（紅色），它就會閉合並重新塌縮; 如果它的密度略低（和負曲率），它會膨脹得更快，變得更大。 就其本身而言，大爆炸並不能解釋為什麽宇宙誕生時的初始膨脹率如此完美地平衡了總能量密度，根本沒有空間曲率和完美平坦的宇宙。 我們的宇宙在空間上看起來完全平坦，初始總能量密度和初始膨脹率相互平衡，至少達到20+位有效數碼。 圖片來源 ：內德·韋特（Ned Wright）的宇宙學教程

最後一種情況與我們長期以來所看到的情況是一致的：數十億年來，就我們的宇宙而言。 一個單獨的星系似乎以令人難以置信的速度遠離我們，但隨後它的衰退速度隨著物質和輻射密度的下降而下降。 由於任何特定時刻的總能量密度決定了宇宙的膨脹率，而膨脹率反過來又決定了我們推斷的星系衰退速度，這一切都是直觀的。

但幾十億年後，一些可疑的事情開始發生。 膨脹速度沒有接近零，而是開始以比人們預期的更慢的速度下降，遙遠星系的衰退速度不再以同樣的方式下降。 一旦宇宙達到大爆炸後78億年的年齡，事情就開始變得奇怪了：這些遙遠的星系在衰退中完全停止減速，並且似乎在「滑行」，因為它們每時每刻都以恒定的速度遠離我們，就好像膨脹已經停止減速一樣。

然後，隨著宇宙繼續老化，衰退速度不再保持不變，也不會回到下降狀態。 相反，這些遙遠的星系似乎越來越快地從我們（以及彼此）身邊退去。 就好像某種效應導致膨脹既不減速也不保持不變，而是實際上增加和加速！

宇宙的預期命運（前三幅插圖）都對應於一個宇宙，在這個宇宙中，物質和能量與初始膨脹率作鬥爭。 在我們觀測到的宇宙中，宇宙加速是由某種暗能量引起的，這是迄今為止無法解釋的。 所有這些宇宙都由弗列特曼方程式控制，弗列特曼方程式將宇宙的膨脹與其中存在的各種類別的物質和能量聯系起來。 請註意，在具有暗能量的宇宙中（下圖），膨脹率是如何在大約60億年前從減速到加速的艱難過渡的。 圖片來源 ：E. Siegel/Beyond the Galaxy

這些數據和這些觀測結果教會了我們一些深刻的東西：宇宙不能簡單地充滿物質和輻射。 即使加上微中子、黑洞、暗物質等，也無法讓我們成功地解釋一切。 除了所有這些實體之外，我們還需要一種新奇的東西，稱為暗能量：一種空間本身固有的能量形式。 隨著宇宙的膨脹，暗能量不會稀釋，而是保持恒定的密度。 其他一切，包括所有形式的物質和輻射，都會隨著宇宙的膨脹而稀釋，因為粒子的數量保持不變，但它們所占據的體積卻在增加：這是宇宙膨脹的結果。 只有空間本身固有的暗能量保持恒定的能量密度。

78億年後，物質密度下降得足夠遠，暗能量的影響開始變得重要。 大爆炸後78億年，當暗能量密度增長到物質密度的一半時，它達到了臨界值，導致一個遙遠的星系從我們的角度來看停止減速，而是開始加速。 這是一個關鍵時刻：暗能量對宇宙膨脹的排斥作用恰恰抵消了物質的吸重力。

但時間並不止於此。 相反，它繼續前進，物質密度繼續下降。 一旦宇宙時鐘上的78億年滴答作響，就膨脹率而言，暗能量現在變得比物質和輻射更重要。 遙遠的星系當時達到了最低的衰退速度，但隨後似乎會再次加速。

在一個被暗能量支配的宇宙中，有四個區域：一個是其中的一切都是可以到達和可觀察的，一個是可以觀察但無法到達的，一個是事物有一天是可觀測的，還有一個是事物永遠不會被觀測到的。 這些數碼對應於我們截至 2024 年的共識宇宙學。 圖片來源 ：Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons; 註釋： E. Siegel

隨著時間的流逝，彼此沒有束縛的遙遠物體將以越來越快的速度從彼此的視角中消失。 當宇宙有92億年的歷史時，也就是我們的太陽系形成的時候，物質密度將下降到暗能量密度以下。 到今天，在大爆炸後138億年，暗能量約占宇宙總能量的70%; 當宇宙達到現在年齡的兩倍時，暗能量將占宇宙總能量的95%以上。 在這段時間裏，從我們的角度來看，遙遠的星系將繼續加速，越來越快，在它們明顯的衰退中。

在過去的60億年裏，宇宙的膨脹一直在加速，這意味著我們監測到的任何遙遠星系似乎都在以越來越快的速度從我們身邊退去。 目前距離我們大約180億光年的任何星系現在似乎都以比光速更快的速度消退，這意味著我們無法再次到達或接觸它。 鑒於宇宙的半徑已經達到460億光年，這意味著宇宙中94%的星系已經永遠超出了我們的範圍。

數十億年來，與物質的密度相比，暗能量的密度是微不足道的，這意味著如果人類出現得太早，它的影響將無法察覺。 數百億年後，暗能量將把我們本源集團之外的一切推到遠離我們的地方; 本星系群合並後的殘骸將是唯一剩下的星系。 只是因為我們在這個金色的宇宙時刻出現了，我們才能感知到宇宙實際上是由什麽組成的。 暗能量是真實的，在78億年前開始主宰我們的宇宙，並從現在開始決定我們的宇宙命運！