暗能量用来作为尺子会有意外发现？

让我们先从两张图片出发。图1左图是天文学家对当前宇宙中星系分布的一个模拟，右图则是在一张平面上随机撒点得出的图片。显然，真实的宇宙看起来比随机撒点看起来具有更丰富的结构形态，像大脑中的神经网络，又像高空俯视下的夜晚都市。

让我们换一张真实观测得到的星系分布图看一下。图2是今年4月份DESI（Dark Energy Spectroscopic Instrument,暗能量光谱仪器）项目发布的第一年观测结果，放大的部分是距离我们较近的亮星系样本（Bright Galaxy Sample）。乍看起来，图片中的星系分布的确有些许规律可循，但想简单用几句文字描述又乏善可陈。不过，这可难不倒聪明伶俐的天文学家。通过对宇宙的合理预测以及扎实的统计分析，天文学家在宇宙物质演化中发现了一个固有模式——重子声学振荡（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）。

图 1 左图：由N体模拟得到的宇宙大尺度结构；右图：随机撒点的分布。

图2 DESI第一年观测得到的星系分布。放大区域是红移0.2以内亮星系样本，只包含DESI预计总观测数据0.1%。(https://www.desi.lbl.gov/category/blog/）

不甘“堕落”的重子物质

标准宇宙学模型下，宇宙中的所有物质可以分为暗物质和重子物质两个组分。所有的物质都会产生引力并受到引力的作用。但暗物质和重子物质的区别在于：暗物质只有引力的作用；而由质子、中子和电子等基本粒子构成的重子物质，除了受到引力的作用外，还会与光子耦合，受到光子辐射压的影响。

对于宇宙学研究者而言，如果宇宙一片平坦，处处一样的话，那未免也太过无趣。事实上，宇宙在诞生初期各处都存在着量子涨落，导致宇宙中有的地方能量（物质密度）高些，形成势阱，有的地方能量（物质密度）低一些，形成势垒。而正是这一点涨落，为物质的聚集提供了种子。所有物质——暗物质和重子物质——在引力的作用下，都趋向于朝着物质密度高的区域（因为这里引力更强）“堕落”，导致势阱更深而势垒更高。

但是，重子物质可不甘于就这么“堕落”下去。它们与光子紧密结合在一起，就像一锅大杂烩的“热汤”。这锅“热汤”在引力作用下不断流入势阱中，但同时“热汤”在下落过程中迅速升温，光子产生的辐射压增大，这股辐射压力抵抗着“重子-光子”热汤进一步“堕落”至势阱深处的引力，并进而推动“热汤”向外膨胀。就像弹簧一样，在向外膨胀过程中，“热汤”冷却，辐射压减弱，无法抵抗引力作用，“热汤”又开始向势阱流动。图3的动画就生动展示了这个过程，黄色的小球模拟的是这锅“重子-光子”热汤，而弹簧模拟了引力和辐射压之间的博弈。这样的过程会产生压力波或声波在“热汤”中传播，也就是所谓的重子声学振荡。

图 3 重子声学振荡的一维示意动画。

不过这里要注意的一点是，实际宇宙并不是图三展示的仅有一个纬度。宇宙在空间中有三个纬度，而且朝各个方向是相同的。因此，实际上重子声学振荡可以看做是宇宙中数不清的球壳在不断膨胀和缩小。如果抽象的想象这个场景比较困难的话，可以去楼下便利店买一个泡泡糖，将泡泡吹开后，不断的吹气吸气，效果是差不多的（就是难度有点大罢了）。

“泡泡”不断长大

重子本以为光子会陪伴在自己身旁，一直站在对抗引力的第一线。但宇宙在膨胀过程中，温度会不断降低。在温度降低到一定程度的时候，即所谓的再复合时期（recombination epoch)，重子中的自由电子和质子结合，牵手在了一起，形成中性氢原子。原先一直与重子中自由电子作用从而耦合在一起的光子发现自己被抛弃，只好与重子解耦开始自由传播。重子由于缺少了光子辐射提供的光压抵抗引力，被留在原地形成了一个个宇宙中的物质“泡泡”。在膨胀的宇宙学背景中，原先扩散速度比较慢的暗物质会有一小部分被“泡泡”的边界处的势阱吸引过来，泡泡内部的重子物质中的一部分也会加速向势阱内部流动，正如图四左边的动画所示。

当然，宇宙肯定不止一个“泡泡”，不同“泡泡”的尺寸对应于不同波长的声波，光子解耦前“泡泡”能被吹到的最远距离（在共动坐标系中约5亿光年）被天文学家称为声学视界（sound horizon）。此外，这些“泡泡”产生的位置是随机的，它们互相重叠在一起，会在宇宙中形成一个看似有点随机但又有那么点结构的物质结构，就像图4右边的动画所展示的那样。

图4 声学视界的形成与宇宙大尺度结构的种子。

测量“泡泡”的大小

那么，天文学家要如何去测量这些“泡泡”的大小呢？星系就是最好的示踪体。由于星系会趋向于形成在物质密度更高的地方，而声学视界的尺度上物质密度会比周围稍高一些。因此可以预测：距离一个星系约5亿光年处产生另一个星系的统计学概率会更大（图5）。或者直接统计分析的话，考虑观测样本中的所有星系对，计算每个星系对之间的空间距离，统计这个空间距离的数目分布，可以预期：约5亿光年处的星系个数有一个峰值（图6）。

图 5 星系成团性中的BAO信号的艺术图，即在一个星系周围5亿光年处，有更大概率（找到）另一个星系。（http://www.sdss3.org/press/onepercent.php）

图 6 统计学上，一个星系不同距离处出现另一个星系的概率。在5亿光年的共动距离上，有一个峰。(https://science.nasa.gov/mission/roman-space-telescope/baryon-acoustic-oscillations/）

要做这件事，天文学家要能精准测量宇宙中星系的位置。这个位置不仅包括天球上的角位置，还要精准测量红移以确定径向距离。最早进行这项工作的是2000年开始的斯隆数字巡天项目，到目前已观测了20多年，测量出200多万个河外天体的角位置和红移，用于测量声学视界的信号。

但这对于贪婪的天文学家来讲还远远不够。在斯隆数字巡天项目进行的过程中，天文学家就在筹划下一代更雄心勃勃的宇宙学红移巡天项目。2024年4月，新一代巡天暗能量光谱仪器（Dark Energy Spectroscopic Instrument，DESI）公布了第一年的观测数据。DESI一年的时间内扫遍了7500平方度的天区，测量570万个星系的精确位置。一年便完成了它的前辈工作量的三倍。有了这些精确的数据，DESI项目组精确测量了七个红移区间内声学视界的位置，并进一步向天文学家揭开宇宙奥秘的面纱。

图 7 美国亚利桑那州基特峰国家天文台。最大穹顶即DESI。（https://www.desi.lbl.gov/category/blog/）

图 8 DESI 测量7个红移区间的声学视界位置。

（https://arxiv.org/abs/2404.03002）

暗能量，你是什么“妖怪”？

为了解释宇宙加速膨胀的观测事实，天文学家引入了一种叫做“暗能量”的组分。但对于这个组分的真实物理性质，天文学家却知之甚少。长期以来。天文学家都假设暗能量是一个宇宙学常数，即其能量密度不随时间发生变化，均匀地填充在空间中。

图 9 假设暗能量以ω=ω+(1-a)ω的参数化形式表达，参数的后验分布与虚线相交的点（暗能量为宇宙学常数）有所偏离。（https://arxiv.org/abs/2404.03002 ）

然而，DESI第一年的观测数据却发现，暗能量的性质似乎会随着宇宙演化而变化，即动力学暗能量。假设暗能量的状态方程参数（即暗能量压强与密度之比）以ω=ω+(1-a)ω（a是尺度因子，随着宇宙膨胀而增大）的形式来描述，DESI的数据暗示暗能量与ω=-1，ω=0，的宇宙学常数描述有一定的偏离。这表明暗能量的性质可能并不如天文学家以前设想的那么简单，或许蕴含着更加丰富的物理性质，具有更加有趣的物理起源。

不过，现在并没有在统计上具有极高的置信度确定动力学暗能量的存在，也可能是统计误差涨落导致的结果。我们最近的工作Wang et al. 2024 (arXiv:2405.02168)经过进一步分析发现，暗能量偏离宇宙学常数的主要来源是红移0.7附近的亮红星系（Luminous Red Galaxy, LRG） 观测得到的重子声学振荡峰的位置。如果把这个部分的观测信号去掉，那么暗能量在一定程度上还符合宇宙学常数的描述，见图10（橘黄色轮廓）。这一结果并非是对DESI结果的否定，而是指出：在未来，对这部分观测数据的分析需要更加谨慎。

图 10 去掉LRG2的数据后，参数后验分布回归十字相交点。（http://arxiv.org/abs/2405.02168）

当然，暗能量究竟是如何一种“妖怪”，还需要天文学家动用“火眼金睛”收集到更多的信息才能逐渐看透它的本质。DESI此次释放的也仅是其第一年的观测数据，DESI的一期项目是一个长达五年的巡天。可以期待，在不久的将来，DESI的后续数据将能够更好地帮助天文学家认识宇宙，揭开暗能量神秘的面纱。

作者简介

蔺是杰，北京师范大学物理与天文学院天文学专业2022级研究生；研究方向包括宇宙大尺度结构、强弱引力透镜现象等。

丁浙杰，上海交通大学天文系博士后，DESI合作组成员；研究方向：宇宙大尺度结构，BAO的重构、测量与系统误差分析，数值模拟分析等。