当暗能量崛起时是什么感觉？

想象一下，眺望宇宙：超越银河系的恒星和离我们最近的星系，一直到我们能找到的最遥远的物体。 当我们这样做时，检查数十亿光年外出现的星系、类星体和其他形式的物质，我们看到的不是今天的样子，而是遥远的过去：当它们的光首次发射时。 在早期，宇宙更热、更密集，充满了更小、更年轻、进化程度更低的星系。 我们在宇宙历史中看到的光只有在穿越这些广阔的宇宙距离之后才能到达我们的眼睛，并且只有在光被膨胀的空间结构拉伸之后才能到达我们的眼睛。

正是这些早期信号，以及当我们看向越来越遥远的物体时，光如何被拉伸到更长波长（即红移）的过程，教会了我们宇宙在其整个历史中是如何膨胀的。 通过收集这些数据，我们了解到宇宙不仅在膨胀，而且遥远的物体似乎在加速，越来越快，因为它们相互后退：发现宇宙加速膨胀。 这就是我们发现暗能量并测量其性质的方式，永远改变了我们对宇宙的概念。 这是暗能量第一次接管膨胀的宇宙时的样子。

在热大爆炸开始时，宇宙正在迅速膨胀，充满了高能、非常密集的超相对论量子。 辐射占主导地位的早期阶段让位于几个后期阶段，其中辐射占主导地位，但从未完全消失，而物质随后随着时间的推移聚集成气体云、恒星、星团、星系，甚至更丰富的结构，同时宇宙继续膨胀。 图片来源 ：CfA/M. Weiss

想象一下，你不是一个人，而是一个无所不知的存在，不仅在热大爆炸的最初时刻就在附近，而且能够随时跟踪两个不同的位置。 其中一个位置将对应于我们今天银河系的最终位置，而另一个位置将对应于一个遥远的、不相连的星系，该星系与银河系附近的任何事物都没有引力绑定：不是本星系群，不是室女座星系团，不是 拉尼亚凯亚 的任何组成部分，等等。

如果你一开始就知道这些位置，并从热大爆炸开始到现在跟踪它们，你会观察到什么？ 答案是，这两个位置会彼此远离，不仅宇宙膨胀的速度，而且这些区域的特性，包括它们所看到的，都会随着时间的推移而改变。

最初，没有光信号能够从一个区域自由传播到另一个区域; 你必须等到宇宙达到 380,000 岁的年龄，因为那是宇宙对光变得透明的时候。 宇宙微波背景最初是可见的，会逐渐消失为红外线，然后是微波波长。 随着时间的流逝，你会看到分子云的形成和收缩，然后是恒星和黑洞在一系列早期星云中形成，然后是星团的合并，导致原星系。 然后，这些原始星系将合并、引力和增长，演变成成熟的星系，这些星系存在于星系群和星团中。 最终，这些早期星系将演化成更熟悉的现代星系，经历漫长而安静的时代，期间不时出现恒星形成。

与当今银河系相媲美的星系数量众多，但与我们今天看到的星系相比，类似银河系的年轻星系本质上更小、更蓝、更混乱、气体更丰富。 对于第一个星系来说，这种效应达到了极端。 早在我们所见，星系就遵守这些规则。 图片来源 ：NASA、ESA、P. van Dokkum（美国耶鲁大学）、S. Patel（美国莱顿大学）和 3-D-HST 团队

这就是宇宙本身的样子，不仅仅是银河系和随机遥远星系所在的位置，而是整个广阔的空间。 然而，我们通常不会谈论的一件事是，就这些遥远物体的红移而言，我们会看到什么。 宇宙的一大特性是物理定律似乎是恒定的：在整个时间中保持不变。 这意味着原子总是并且总是会吸收和发射非常特定波长的光：波长在任何地方都是相同的，并由原子内电子所占据的能级决定。

通过识别一系列对应于同一元素的原子吸收或发射线，我们可以测量我们的观察结果相对于我们观察到的波长在实验室中静止时的变化。 这种偏移，如果它被拉伸到更长的波长，则称为红移，如果它被压缩到更短的波长，则称为蓝移，几乎总是被观察到是遥远星系的红移，红移通常随着距离的增加而增加。 通过测量这两个特性——红移和距离——在足够广泛的具有不同属性的物体阵列中，我们可以使用这些测量来重建膨胀宇宙的历史。

这张图显示了1550颗超新星，它们是万神殿+分析的一部分，绘制为星等与红移的函数。 几十年来（自1998年以来），超新星数据一直指向一个以特定方式膨胀的宇宙，它需要超越物质、辐射和/或空间曲率的东西：一种驱动膨胀的新形式的能量，称为暗能量。 这些超新星都沿着我们标准宇宙学模型预测的路线落下，即使是红移最高、距离最远的Ia型超新星也遵循这种简单的关系。 图片来源 ：D. Brout et al./Pantheon+，ApJ 提交，2022 年

在我们的实际现实中，我们不是无所不知的，也不可能同时无处不在：我们只能在时空的某个点进行观察：此时此地，这是来自整个宇宙中所有可见的遥远物体的光最终到达我们的位置和时刻。 但是，也许值得注意的是，正是这个练习——测量宇宙中各种物体的距离和红移——使我们能够推断出我们最初的假设场景的答案，即空间中的两个点，一个对应于我们自己，一个对应于遥远的、不受束缚的星系，如何在宇宙时间中彼此后退。

原因很简单：当我们观察来自相对邻近星系的光时，它的光会红移，其红移量对应于宇宙从发出光到我们观察到它时膨胀的量。 来自稍远星系的光的红移量略大：与较近的星系相同，加上由于距离较远而发生的额外膨胀量。 随着我们在越来越远的距离上积累越来越多的物体，我们可以利用这些数据来构建一条曲线，告诉我们宇宙在其宇宙历史中是如何膨胀的。

而且，由于宇宙在其宇宙历史中膨胀的方式与整个宇宙在其历史中存在的不同形式的能量有关并由其决定，因此我们也可以了解宇宙是由什么组成的。

表观膨胀率（y轴）与距离（x轴）的关系图与过去膨胀速度更快的宇宙一致，但遥远的星系今天在衰退中加速。 这是哈勃原作的现代版本，比哈勃的原始作品延伸了数千倍。 请注意，这些点不形成直线，这表明膨胀率随时间的变化。 宇宙遵循它所遵循的曲线这一事实表明了暗能量的存在和晚期的主导地位。 图片来源 ：Ned Wright/Betoule et al. （2014）

一旦我们知道了宇宙是由什么组成的，我们就可以利用我们所拥有的关于各种形式的能量如何随时间演变的信息来回答这个最初的问题：如果我们能够在整个宇宙历史中跟踪单个星系的距离和红移（从我们的角度来看），我们会看到什么。 答案可能有点违反直觉，但它不仅揭示了暗能量是什么，而且揭示了它如何影响宇宙的膨胀，这具有极大的说明性和教育意义。

在最早的阶段，首先从远处物体到达的光会告诉你它的距离和红移。 与我们今天看到的相比，与该物体的距离相对较小，而与我们今天看到的相比，观察到的红移会相当大。 如果我们将其解释为多普勒频移，那么这种红移可以与明显的衰退速度相对应：所讨论的物体似乎远离我们的速度有多快。

实际上，并不是物体的运动导致了红移，尽管朝向（蓝移）或远离（红移）观察者的运动肯定会引起这种影响。 相反，光在空间结构中传播的事实——当光传播时织物会膨胀——导致了我们观察到的红移。

这个简化的动画显示了在膨胀的宇宙中，光如何红移以及未绑定物体之间的距离如何随时间变化。 请注意，这些物体开始时比光在它们之间传播所需的时间更近，由于空间的膨胀，光会红移，并且两个星系之间的距离比它们之间交换的光子所走的光传播路径要远得多。 膨胀的宇宙不是时间转换不变的。 图片来源 ：Rob Knop

最初，与其他星系外物体的距离会很小，而红移会很大：我们会推断这个遥远的星系正在以非常快的速度远离我们。 但是，当我们允许时钟向前运行时，这些物体的距离和推断速度都会发生显着变化，但方向彼此相反。

光可能以特定的波长发射，但宇宙的膨胀会在它行进时拉伸它。 当考虑一个来自13+十亿年前的光的星系时，紫外线发出的光将一直转移到红外线中。 宇宙膨胀得越快，来自遥远物体的光就会越红移，它就会显得越暗。 图片来源 ：Larry McNish/RASC 卡尔加里

当你在大爆炸的背景下思考膨胀的宇宙时，这是有道理的。 一场伟大的宇宙竞赛正在进行中：在引力和初始膨胀率之间，前者努力将所有东西拉回一起，后者努力将所有东西分开。 这场竞赛已经进行了138亿年，而大爆炸是发令枪。 宇宙中的万物最初开始远离其他万物，以极快的速度开始，而引力则尽其所能地将万物拉回原处。 你可以想象事情会如何发展的多种可能的命运。

如果宇宙的物质密度略高（红色），它就会闭合并重新坍缩; 如果它的密度略低（和负曲率），它会膨胀得更快，变得更大。 就其本身而言，大爆炸并不能解释为什么宇宙诞生时的初始膨胀率如此完美地平衡了总能量密度，根本没有空间曲率和完美平坦的宇宙。 我们的宇宙在空间上看起来完全平坦，初始总能量密度和初始膨胀率相互平衡，至少达到20+位有效数字。 图片来源 ：内德·赖特（Ned Wright）的宇宙学教程

最后一种情况与我们长期以来所看到的情况是一致的：数十亿年来，就我们的宇宙而言。 一个单独的星系似乎以令人难以置信的速度远离我们，但随后它的衰退速度随着物质和辐射密度的下降而下降。 由于任何特定时刻的总能量密度决定了宇宙的膨胀率，而膨胀率反过来又决定了我们推断的星系衰退速度，这一切都是直观的。

但几十亿年后，一些可疑的事情开始发生。 膨胀速度没有接近零，而是开始以比人们预期的更慢的速度下降，遥远星系的衰退速度不再以同样的方式下降。 一旦宇宙达到大爆炸后78亿年的年龄，事情就开始变得奇怪了：这些遥远的星系在衰退中完全停止减速，并且似乎在「滑行」，因为它们每时每刻都以恒定的速度远离我们，就好像膨胀已经停止减速一样。

然后，随着宇宙继续老化，衰退速度不再保持不变，也不会回到下降状态。 相反，这些遥远的星系似乎越来越快地从我们（以及彼此）身边退去。 就好像某种效应导致膨胀既不减速也不保持不变，而是实际上增加和加速！

宇宙的预期命运（前三幅插图）都对应于一个宇宙，在这个宇宙中，物质和能量与初始膨胀率作斗争。 在我们观测到的宇宙中，宇宙加速是由某种暗能量引起的，这是迄今为止无法解释的。 所有这些宇宙都由弗里德曼方程控制，弗里德曼方程将宇宙的膨胀与其中存在的各种类型的物质和能量联系起来。 请注意，在具有暗能量的宇宙中（下图），膨胀率是如何在大约60亿年前从减速到加速的艰难过渡的。 图片来源 ：E. Siegel/Beyond the Galaxy

这些数据和这些观测结果教会了我们一些深刻的东西：宇宙不能简单地充满物质和辐射。 即使加上中微子、黑洞、暗物质等，也无法让我们成功地解释一切。 除了所有这些实体之外，我们还需要一种新奇的东西，称为暗能量：一种空间本身固有的能量形式。 随着宇宙的膨胀，暗能量不会稀释，而是保持恒定的密度。 其他一切，包括所有形式的物质和辐射，都会随着宇宙的膨胀而稀释，因为粒子的数量保持不变，但它们所占据的体积却在增加：这是宇宙膨胀的结果。 只有空间本身固有的暗能量保持恒定的能量密度。

78亿年后，物质密度下降得足够远，暗能量的影响开始变得重要。 大爆炸后78亿年，当暗能量密度增长到物质密度的一半时，它达到了临界值，导致一个遥远的星系从我们的角度来看停止减速，而是开始加速。 这是一个关键时刻：暗能量对宇宙膨胀的排斥作用恰恰抵消了物质的吸引力。

但时间并不止于此。 相反，它继续前进，物质密度继续下降。 一旦宇宙时钟上的78亿年滴答作响，就膨胀率而言，暗能量现在变得比物质和辐射更重要。 遥远的星系当时达到了最低的衰退速度，但随后似乎会再次加速。

在一个被暗能量支配的宇宙中，有四个区域：一个是其中的一切都是可以到达和可观察的，一个是可以观察但无法到达的，一个是事物有一天是可观测的，还有一个是事物永远不会被观测到的。 这些数字对应于我们截至 2024 年的共识宇宙学。 图片来源 ：Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons; 注释： E. Siegel

随着时间的流逝，彼此没有束缚的遥远物体将以越来越快的速度从彼此的视角中消失。 当宇宙有92亿年的历史时，也就是我们的太阳系形成的时候，物质密度将下降到暗能量密度以下。 到今天，在大爆炸后138亿年，暗能量约占宇宙总能量的70%; 当宇宙达到现在年龄的两倍时，暗能量将占宇宙总能量的95%以上。 在这段时间里，从我们的角度来看，遥远的星系将继续加速，越来越快，在它们明显的衰退中。

在过去的60亿年里，宇宙的膨胀一直在加速，这意味着我们监测到的任何遥远星系似乎都在以越来越快的速度从我们身边退去。 目前距离我们大约180亿光年的任何星系现在似乎都以比光速更快的速度消退，这意味着我们无法再次到达或接触它。 鉴于宇宙的半径已经达到460亿光年，这意味着宇宙中94%的星系已经永远超出了我们的范围。

数十亿年来，与物质的密度相比，暗能量的密度是微不足道的，这意味着如果人类出现得太早，它的影响将无法察觉。 数百亿年后，暗能量将把我们本源集团之外的一切推到远离我们的地方; 本星系群合并后的残骸将是唯一剩下的星系。 只是因为我们在这个金色的宇宙时刻出现了，我们才能感知到宇宙实际上是由什么组成的。 暗能量是真实的，在78亿年前开始主宰我们的宇宙，并从现在开始决定我们的宇宙命运！