宇宙，其浩瀚和錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不斷提出深刻的問(wèn)題，挑戰(zhàn)著我們對(duì)基本物理學(xué)的理解。其中最引人注目的是暗能量之謎，這種神秘的力量驅(qū)動(dòng)著宇宙的加速膨脹。幾十年來(lái)，宇宙學(xué)家們一直在努力揭示其本質(zhì)，利用各種觀測(cè)技術(shù)越來(lái)越精確地繪制宇宙的膨脹歷史。
暗能量巡天（DES）是一項(xiàng)為期六年的大規(guī)模天文巡天項(xiàng)目，旨在收集大量數(shù)據(jù)，以揭示這個(gè)宇宙謎題。其努力的頂峰，特別是對(duì)重子聲學(xué)振蕩（BAO）和Ia型超新星(SNe)的分析，對(duì)我們理解宇宙膨脹模型產(chǎn)生了重大影響。
背景知識(shí)與暗能量巡天
在 20 世紀(jì) 90 年代末，通過(guò)對(duì)遙遠(yuǎn) Ia 型超新星的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了宇宙加速膨脹，這場(chǎng)發(fā)現(xiàn)徹底改變了宇宙學(xué)。它暗示了一種具有負(fù)壓力的主要成分的存在，被稱為暗能量，它在大尺度上抵消了引力。對(duì)暗能量最簡(jiǎn)單的解釋是宇宙常數(shù) Λ，這是愛因斯坦在他的場(chǎng)方程中引入的一個(gè)項(xiàng)。這個(gè)模型，被稱為 ΛCDM模型，已經(jīng)成為宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，成功地解釋了廣泛的觀測(cè)結(jié)果。然而，宇宙常數(shù)的物理本質(zhì)仍然是一個(gè)謎，并且仍在探索替代解釋。
為了區(qū)分這些模型，精確測(cè)量宇宙的膨脹歷史至關(guān)重要。暗能量巡天旨在通過(guò)觀測(cè)南方天空大部分區(qū)域的數(shù)億個(gè)星系來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。其主要目標(biāo)之一是利用兩種強(qiáng)大的宇宙學(xué)探測(cè)器：重子聲學(xué)振蕩和 Ia 型超新星。
重子聲學(xué)振蕩是早期宇宙的遺跡。在原始等離子體中，聲波從過(guò)密區(qū)域向外傳播。當(dāng)宇宙冷卻到足以形成中性原子時(shí)（稱為復(fù)合時(shí)期），這些聲波有效地凍結(jié)了，在宇宙的物質(zhì)分布中留下了特征性的印記。這種印記表現(xiàn)為星系更傾向于以特定的同移距離（大約 150 兆秒差距）分隔開。這個(gè)特征尺度充當(dāng)了一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)尺”，通過(guò)觀測(cè)不同紅移處星系的聚類，宇宙學(xué)家可以測(cè)量角直徑距離和哈勃參數(shù)。最終的 DES BAO 分析利用了巡天觀測(cè)到的大量星系目錄，在顯著的紅移范圍內(nèi)精確測(cè)量了這個(gè)尺度，為宇宙的膨脹歷史提供了寶貴的約束。
另一方面，Ia 型超新星充當(dāng)“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。這些由白矮星熱核失控引起的恒星爆炸，在考慮了光變曲線的變化后，具有非常一致的峰值光度。通過(guò)測(cè)量這些超新星的視星等并將其與已知的本征光度進(jìn)行比較，天文學(xué)家可以確定它們的距離。將此距離信息與宿主星系的紅移相結(jié)合，可以構(gòu)建哈勃圖，該圖繪制了距離與紅移的關(guān)系，并揭示了宇宙在不同時(shí)期的膨脹速率。最終的 DES 超新星分析基于大量經(jīng)過(guò)光譜證認(rèn)的 Ia 型超新星樣本，為宇宙的膨脹歷史提供了關(guān)鍵的獨(dú)立測(cè)量，尤其是在與來(lái)自更高紅移星系巡天的 BAO 測(cè)量相比的較低紅移處。
最終 DES 分析的強(qiáng)大之處在于將這兩種互補(bǔ)的探測(cè)器結(jié)合起來(lái)。BAO 提供了不同宇宙時(shí)期膨脹率的精確測(cè)量，而超新星則提供了精確的距離測(cè)量。通過(guò)聯(lián)合分析這些數(shù)據(jù)集，DES 合作組織能夠?qū)Ω鞣N宇宙學(xué)參數(shù)和模型施加嚴(yán)格的限制。
宇宙膨脹模型：標(biāo)準(zhǔn)模型與超越
重新審視 ΛCDM 模型
幾十年來(lái)，ΛCDM模型一直是宇宙學(xué)中解釋各種天文現(xiàn)象的基石。該模型認(rèn)為宇宙大約由 70% 的暗能量（Λ）、25%的冷暗物質(zhì)（CDM）和 5% 的普通物質(zhì)組成，并成功解釋了從宇宙微波背景中觀測(cè)到的各向異性到大尺度結(jié)構(gòu)的形成等多項(xiàng)觀測(cè)現(xiàn)象。然而，DES 最終的 BAO 與超新星數(shù)據(jù)則顯示出，與例如普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的 ΛCDM 預(yù)測(cè)相比，存在小幅度卻重要的沖突。
例如，DES 的BAO測(cè)量數(shù)據(jù)顯示與基于 CMB 數(shù)據(jù)的 ΛCDM 預(yù)測(cè)有約 2σ 的偏差；同時(shí)，超新星的數(shù)據(jù)則指向一個(gè)略高于之前估計(jì)的物質(zhì)密度參數(shù)。盡管這種偏差在統(tǒng)計(jì)上仍可能處于不確定區(qū)間內(nèi)，但它們共同引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題：是否一個(gè)恒定的暗能量成分足以解釋宇宙加速膨脹？
動(dòng)態(tài)暗能量模型
DES 數(shù)據(jù)的一個(gè)核心啟示是支持動(dòng)態(tài)演化的暗能量模型。與 ΛCDM 中假定暗能量為不變的宇宙學(xué)常數(shù)不同，動(dòng)態(tài)模型允許暗能量的狀態(tài)方程隨時(shí)間發(fā)生變化。當(dāng)采用諸如 w0waCDM 這樣的動(dòng)態(tài)暗能量模型時(shí)，不同數(shù)據(jù)集之間的一致性顯著提升，這暗示著暗能量可能確實(shí)隨宇宙的演化而變化。這一可能性為解釋 BAO、SNe 和 CMB 數(shù)據(jù)之間的輕微差異提供了較為合理的理論框架，也為宇宙膨脹歷史的解釋增添了更多維度。
宇宙幾何曲率的約束
此外，DES 數(shù)據(jù)還為宇宙的空間幾何形狀提供了新的約束。雖然 ΛCDM 模型通常假設(shè)宇宙是平坦的，但通過(guò)將 DES 數(shù)據(jù)與其它宇宙探針（如 CMB 與大爆炸核合成）的數(shù)據(jù)相結(jié)合，科學(xué)家們得以重新審視這一假設(shè)。初步分析表明，即便引入微小的曲率，也無(wú)法完全消除數(shù)據(jù)之間存在的沖突。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步表明，我們可能需要一個(gè)更為精細(xì)的模型來(lái)描述暗能量在宇宙演化中的作用。
對(duì)整個(gè)宇宙觀的深遠(yuǎn)啟示
DES 最終的 BAO 與超新星數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不僅局限于驗(yàn)證單一模型，它們更加深了我們對(duì)宇宙基本現(xiàn)象的理解，這些啟示涉及了：
- 暗能量的本質(zhì)： 動(dòng)態(tài)演化的暗能量模型若被證實(shí)，將深刻影響粒子物理學(xué)及量子引力理論的發(fā)展，迫使理論物理學(xué)家提出新的機(jī)制或場(chǎng)來(lái)解釋真空能量密度的變化。
- 宇宙幾何與命運(yùn)： 對(duì)宇宙空間曲率或暗能量狀態(tài)方程的任何修正，都將最終重構(gòu)我們對(duì)宇宙最終命運(yùn)的預(yù)測(cè)——無(wú)論是永遠(yuǎn)膨脹、減速抑或甚至最終收縮。
- 不同時(shí)期之間的相互聯(lián)系： 將晚期宇宙加速膨脹與早期宇宙（例如 CMB 所反映的初始狀態(tài)）相聯(lián)系，能夠幫助我們理解宇宙從初生到成熟各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變及其內(nèi)在物理機(jī)制。
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