暗能量

暗能量（Dark Energy）是一种致使宇宙加速膨胀的未知能量。在标准宇宙学模型lambda-CDM的推测中，宇宙中的主要物质成分是暗物质和暗能量，其中暗能量占总物质的68%，暗物质占27%，而剩下的能够被直接观测到的“普通物质”只占宇宙中总物质的5%。这些“普通物质”在天文学中被称为重子物质，是由质子、中子等粒子组成的。为了解释宇宙的加速膨胀效应，暗能量也称为是具有负压强的、均匀的、在宇宙学尺度上不结团的能量成分。

暗能量是一种致使宇宙加速膨胀的未知能量。在标准宇宙学中，宇宙有三个组成部分：物质、辐射和暗能量。物质是能量密度与比例因子的倒数立方成比例的任何事物，如果是静止质量为主的物质粒子(matter)，就可以不用考虑宇宙学红移。最终就有

，同时宇宙学红移使得单个光子的能量和

成反比，因此有辐射是与比例因子的倒四次方成比例（

）。最后一个组成部分是暗能量：它是空间的固有属性，并且具有恒定的能量密度，无论所考虑的体积尺寸如何（

）。因此，与普通物质不同，它不会因空间膨胀而稀释。

1917年，爱因斯坦为了建立一个静态的宇宙模型引入了一个参数

，即宇宙学常数，它是最简单的暗能量模型。“宇宙学常数”是一个常数项，如果将其视为场方程中的“源项”，就可以将其视为等效于真空空间的质量，或“真空能量”。爱因斯坦认为宇宙学常数要求空无一物的空间扮演着负质量引力的角色，这些负质量分布在整个星际空间，并且“真空”可以拥有自己的能量。因为这种能量是空间本身的属性，它不会随着空间的膨胀而被稀释。随着更多空间的出现，更多的空间能量会出现。广义相对论假设的质能等价意味着真空能量应该产生引力。因此，真空能量被认为对宇宙常数有贡献，而宇宙常数反过来又影响宇宙的加速膨胀。由于物质在整个宇宙中的分布不均匀，这些干扰是不可避免的。此外，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在1929年所做的观察表明，宇宙似乎在膨胀，而不是静止的。据报道，爱因斯坦将他未能预测与静态宇宙相反的动态宇宙的想法称为他xxx的失误。

爱因斯坦

艾伦·古斯（Alan Guth）和阿列克谢·斯塔罗宾斯基（Alexei Starobinsky）于1980年提出，负压场在概念上类似于暗能量，可以在极早期的宇宙中驱动宇宙膨胀。假设在暴胀膨胀后不久，某种与暗能量类似的排斥力导致了宇宙的巨大指数膨胀，这种膨胀是大多数当前大爆炸模型的基本特征。然而，膨胀一定是在比观察到的暗能量高得多的能量密度下发生的，并且被认为在宇宙诞生仅几分之一秒时就已经完全结束了。

表示宇宙由于暗能量而加速膨胀的图表

几乎所有的暴胀模型都预测宇宙的总（物质+能量）密度应该非常接近弗里德曼方程的临界密度。在20世纪80年代，大多数宇宙学研究只关注物质的临界密度模型，通常是95%的冷暗物质（CDM）和5%的普通物质（重子）。人们发现这些模型成功地解释了真实的星系和星团的形成。但在80年代后期出现了一些问题：特别是，该模型需要的哈勃常数值低于观测值，并且该模型低估了大星系的观测值尺度的星系聚类。自1990年代以来，暗能量一直是解释加速膨胀的最被广泛接受的理论。但是暗能量的确切性质仍然是个谜，各种解释层出不穷，主流的两种模型分别是宇宙学常数模型（表示均匀填充空间的恒定能量密度）以及标量场模型（具有随时间和空间变化的能量密度的动态量）。宇宙学常数在时间和空间上保持不变，而标量场可以变化。在1992年的COBE航天器发现CMB各向异性之后，这些困难变得更加严重。到1990年代中期，几个改进的CDM模型得到研究：其中包括Lambda-CDM模型和混合冷/热暗物质模型。暗能量的xxx个直接证据来自1998年亚当·盖伊·里斯（Adam G. Riess）和索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）等人对加速膨胀的超新星观测。1998年，迈克尔·特纳（Michael S. Turner）创造了“暗能量”一词，与1930年代弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）提出的“暗物质”一词相对应。不久之后，暗能量得到了独立观测的支持：2000，BOOMERanG和Maxima CMB实验观测到xxx个在CMB中的声峰，表明总（物质+能量）密度接近临界密度的xxx。然后在2001年，2dF星系红移巡天给出了强有力的证据，表明物质密度约为临界值的30%。2003年至2010年，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的更精确测量继续支持标准模型并提供了更准确的关键参数测量。

迈克尔·特纳

要了解膨胀率如何随时间和空间变化，就需要对宇宙膨胀进行高精度测量。在广义相对论中，膨胀率的演化是由宇宙的曲率和宇宙状态方程（在空间任意区域的温度、压力和组合物质、能量和真空能量密度之间的关系）来估计的。测量暗能量的状态方程是观测宇宙学中最为重要的一部分。将宇宙学常数添加到宇宙学的标准FLRW度规中，就得到了Lambda-CDM模型，该模型被称为“宇宙学的标准模型”，因为它与观测结果吻合。截至2013年，Lambda-CDM模型与一系列日益严格的宇宙学观测相一致，包括普朗克宇宙飞船和超新星遗迹调查。SNLS的xxx个结果表明，暗能量的平均行为（即状态方程）与爱因斯坦的宇宙常数相似，精度为10%。哈勃太空望远镜高红移组的结果表明，暗能量已经存在了至少90亿年，并且在宇宙加速之前的一段时间里就已经存在了。

暗能量存在的证据是间接的，有三个独立的来源，一是距离的测量以及距离与红移的关系，这部分结果表明宇宙在其生命的后半期加速膨胀。二是理论上需要一种既不是物质也不是暗物质的额外能量来形成目前观察到的平坦宇宙（没有任何可检测到的全局曲率）。三是宇宙中质量密度大尺度波动模式的测量。

1998年，高红移超新星搜索小组发表了la型（“one-A”）超新星观测结果。la型超新星是白矮星吸积伴星物质超过钱德拉塞卡极限而发生爆炸产生的，且爆发时产生的xxx星等都一样，与它们所处的位置无关。这也就意味着它们具有与红移无关的恒定光度，所以la超新星可以用来作为测量距离的标准烛光。1999年，超新星宇宙学计划提出宇宙正在加速膨胀。2011年，诺贝尔物理学奖授予索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）、布莱恩·保罗·施密特（Brian P. Schmidt）和亚当·盖伊·里斯（Adam G. Riess），以表彰他们因超新星的研究而对宇宙学的贡献。

NGC4526附近的Ia型超新星（左下角的亮点）

从那以后，这些观察结果得到了几个独立观测的证实。宇宙微波背景、引力透镜和宇宙大尺度结构的测量，以及超新星的改进测量，都与Lambda-CDM模型一致。有些人认为，暗能量存在的xxx迹象是对距离测量及其相关红移的观察。宇宙微波背景各向异性和重子声学振荡仅用于证明到给定红移的距离大于弗里德曼-勒梅特宇宙和此时测量的哈勃常数所预期的距离。

暗能量无论以何种形式存在，都需要将测量到的空间几何形状与宇宙中的物质总量相协调。宇宙微波背景（CMB）各向异性的测量表明宇宙接近平坦。要使宇宙的形状平坦，宇宙的质能密度必须等于临界密度。从CMB光谱测得的宇宙物质总量（包括重子和暗物质）仅占临界密度的30%左右，这意味着存在一种额外的能量形式来占剩余的70%。威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）经过七年的分析估计宇宙由72.8%的暗能量、22.7%的暗物质和4.5%的普通物质组成。2013年，根据CMB的普朗克航天器观测所做的工作更准确地估计了宇宙由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和4.9%的普通物质组成。

估计宇宙总能量分为物质、暗物质和暗能量

支配宇宙（恒星、类星体、星系和星系群和星团）形成的大尺度结构理论表明，宇宙中物质的密度仅为临界密度的30%。2011年，WiggleZ暗能量巡天调查项目（WiggleZ survey）对超过200000个星系的观测提供了暗能量存在的进一步证据，尽管其背后的确切物理原理仍然未知。澳大利亚天文台的WiggleZ巡天设备扫描了星系以确定它们的红移，然后利用重子声学振荡技术估计星系的最远达2000Mpc（红移0.6），进而用星系的红移和距离估计星系的速度。数据证实了宇宙加速的时间约为宇宙年龄的一半（70亿年），并将其不均匀性限制为十分之一，这是另外一个与超新星不同的证实宇宙加速的现象。

巡天项目确定的部分星系在太空中的位置

加速的宇宙膨胀导致引力势阱与势垒在光子穿过时变平，从而在CMB上产生冷点和热点，并与巨大的超空洞和超星系团相对应。这种所谓的后期综合萨克斯瓦福效应（ISW）是平坦宇宙中暗能量的直接信号。天文学家雪莉·何(Shirley Ho)等人和托马索·詹纳托尼奥（Giannantonio）等人在2008年发表相关工作报道了宇宙正在加速膨胀的信息。

近年来，一种通过观测哈勃常数数据（OHD）（也称为宇宙计时器）测试暗能量证据的新方法受到了关注。哈勃常数

作为宇宙学红移的函数。OHD将被动演化的早型星系作为“宇宙计时表”，直接追踪宇宙的膨胀历史。从这一点来看，这种方法提供了宇宙中的标准时钟。这个想法的核心是将测量不同年龄星体的演化作为这些宇宙计时器的红移函数。因此，可以通过它对哈勃参数进行直接估计

，

对差异性有依赖，它可以xxx限度地减少许多常见问题和系统影响。超新星和重子声学振荡（BAO）的分析基于哈勃参数的积分，而

直接测量它。由于这些原因，这种方法已被广泛用于验证宇宙加速膨胀和研究暗能量的特性。

关于暗能量的本质的研究已经成为新的物理理论和观测的重大课题，各种不同的暗能量模型也应运而生。

常见的四种暗能量红移模型

A：CPL模型B：Jassal模型C：Barboza&Alcaniz模型D：Wetterich模型

1917年，阿尔伯特爱因斯坦为了建立一个稳态宇宙模型，最早提出了宇宙常数概念。不过，后来就连他本人也承认，“宇宙常数”只是一个错误的概念。带有宇宙学常数的爱因斯坦方程为

。对于均匀各向同性的弗里德曼-罗伯逊-沃克（Friedmann-Robertson-Walker，简称FRW）宇宙，利用爱因斯坦方程，可以得到弗里德曼（Friedmann）方程：

其中

为尺度因子，

为能量密度，

为压强。这两个方程表明宇宙学常数相当于提供了一个负压强项，表现出斥力的效果，以达到在大尺度结构上的宇宙是静态的。宇宙常数对暗能量最简单的解释是它是一种固有的、基本的空间能量，有时被称为真空能量，因为它是真空空间的能量密度，通常用希腊字母

（Lambda，因此是Lambda-CDM模型）表示。根据质能方程

，爱因斯坦的广义相对论预测这种能量将产生引力效应。

弗里德曼

但是存在以下问题，从弗里德曼（Friedmann）方程中可以得到，描述宇宙中组分性质的一个重要的参量是

，要使宇宙加速膨胀需要负的

，且

，辐射和物质的状态方程

均为非负，所以，要实现宇宙加速膨胀，需要存在一种组分。其压强为负，这种组分就是暗能量。根据爱因斯坦方程，无论能量密度

还是压强p都对引力场有贡献。当压强

而且

大到可以与

比拟时，就会出现斥力效应。通常的宇宙内容物即物质（

）和辐射（

）都不满足这一要求，但正的宇宙常数

却恰好满足。另外，同样的量子场论预测了一个巨大的宇宙学常数，大约大了120个数量级。这几乎（但不完全）需要被相反符号的同样大的项抵消，即“精细调节问题”。一些超对称理论需要一个恰好为零的宇宙学常数，即“宇宙巧合问题”。此外，尚不清楚弦理论中是否存在具有正宇宙学常数的亚稳态真空态。乌尔夫·丹尼尔森（UlfDanielsson）等人计算了这一点，结果显示不存在这样的状态。这一猜想不排除其他暗能量模型，例如精质模型，它们可能与弦理论兼容。

精质模型是暗能量的一种假设形式，更准确地说是一种标量场，被假定为对宇宙加速膨胀速度的观察的解释。1988年，印度物理学家巴拉特·毗湿奴·拉特拉（Bharat Vishnu Ratra）与加拿大物理学家菲利普·詹姆斯·埃德温·皮布尔斯（Phillip James Edwin Peebles）首次提出的这种假设。精质模型与暗能量的宇宙常数解释不同，它是动态的。也就是说，它随着时间的推移而变化，根据定义，宇宙常数不会变化。精质模型的动能项具有正则动能项的形式，其物态方程介于

到

之间。虽然还没有精质场的证据，但也没有排除它的可能性。它通常预测宇宙膨胀的加速比宇宙常数略慢。一些科学家认为，精质场的最佳证据来自对爱因斯坦等效原理的破坏以及空间或时间中基本常数的变化。标量场是由粒子物理和弦理论的标准模型预测的，但是会出现与宇宙常数（或构建宇宙暴胀模型的问题）类似的问题：重整化理论预测标量场应该获得大质量。“一致性问题”问的是为什么宇宙的加速会在它开始的时候开始。如果加速在宇宙中开始得更早，像星系这样的结构就永远不会有时间形成，而生命可能永远不会有机会存在。人择原理的支持者认为这是对他们论点的支持。然而，精质的许多模型都有“跟踪器”行为，它解决了这个问题。在这些模型中，精质场的密度密切紧随（但小于）辐射密度，直到物质与辐射相等，这会触发精质开始表现为暗能量形式，最终主宰宇宙，这自然会降低暗能量的能量量级。2004年，当科学家将暗能量的演化与宇宙学数据进行拟合时，他们发现状态方程可能已经从上到下越过了宇宙常数边界（

=−1）。不可行定理已经被证明，一是指在平坦的四维FRW宇宙中；二是指广义相对论有效；三是指暗能量是单理想流体或不含高阶导数的单标量场；四是指引力和物质最小耦合，那么，它的状态方程就不能超过−1，否则会出现声速发散等问题。2021年，一组研究人员认为对哈勃张力的观测可能意味着只有具有非零耦合常数的精质模型才是可行的。

标量场模型是暗能量动力学模型的一种，标量场中比较常用的是精质模型。但是随着宇宙演化，其势能

主导作用时，

接近

，这时研究人员提出精质模型具有tracker解，该解释有助于缓解所谓的宇宙巧合问题。此外，还有幻影能量（phantom energy）理论，它是满足状态方程的暗能量假设形式

或者

。在这个模型下，暗能量密度是增加的，宇宙膨胀速度会加速，考虑到真空能包含了虚粒子，达特茅斯学院的罗伯特·考德威尔(Robert Caldwell)认为，幻影能量或许是由越来越快地震动所释放出的一种反常粒子。它具有负动能，并预测宇宙膨胀超过宇宙常数预测的膨胀时会导致大撕裂。

相互作用的暗能量理论将暗物质和暗能量作为一种单一现象，在不同尺度上修改引力定律。例如，这可以将暗能量和暗物质视为同一未知物质的不同方面，或假设冷暗物质衰变为暗能量。另一类统一暗物质和暗能量的理论被认为是修正引力的协变理论。这些理论认为，暗能量和暗物质的存在改变了时空的动力学。原则上，暗能量不仅可以与暗物质区的其余部分相互作用，还可以与普通物质相互作用。然而，单靠宇宙学不足以有效约束暗能量与重子耦合的强度，因此必须辅助于其他间接技术或实验室搜索。最近的一项提议推测，目前在意大利XENON1T探测器中观察到的无法解释的过量可能是由暗能量的变色龙模型引起的。但是2022年7月，XENON1T探测器的一项新分析并不支持这个结论。

在宇宙的历史中，暗能量的密度可能会随时间变化。现代观测数据使科学家能够估计暗能量的当前密度。使用重子声学振荡，可以研究暗能量在宇宙历史中的作用，并限制暗能量状态方程的参数的变化范围。为此，科学家已经提出了几种模型，如解释宇宙加速膨胀的爱因斯坦—嘉当理论模型（Chevallier–Polarski–Linder），是最受欢迎的模型之一。一些其他常见模型，如2008年Barboza和Alcaniz等人发表的参数模型，Jassal、Wetterich、Oztas等人都发表过关于暗能量的模型。

2023年2月，夏威夷大学研究人员提出了广义相对论效应这一理论，该理论讲的是如果人们要求克尔度规渐近线于弗里德曼-罗伯逊-沃克度规，那么人们就会发现，随着宇宙的膨胀，黑洞的质量会增加，速率的测量值为

，这个特殊的速率意味着黑洞的能量密度随时间保持不变，类似于暗能量。之后，法拉（Duncan Farrah）与合作者们观测了古老螺旋星系群在最近90亿年间的成长轨迹。经过分析发现，在这段时间内，位于中心位置的超大质量黑洞一开始看上去较小，而后它们的质量随着时间增长了7到10倍，这个增长速度明显超过了星系自身的增长速度。法拉认为，观测结果符合猜想——这些星系中心的超大质量黑洞很可能就是由推动宇宙加速膨胀的暗能量构成。而其质量也随着宇宙的膨胀而增长，这个现象被称为“宇宙耦合”（cosmological coupling）。2023年2月20日，法拉与同事在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）发表论文《关于黑洞的宇宙耦合观测证据以及其作为暗能量来源的天体物理学联系》（Observational Evidence for Cosmological Coupling of Black Holes and its Implications for an Astrophysical Source of Dark Energy），报告了他们的分析结果。其他天体物理学家持怀疑态度，并发表了许多论文声称该理论无法解释其他观测结果。

修正引力暗能量存在的证据在很大程度上取决于广义相对论。因此，可以想象对广义相对论的修正也正好可以消除理论上对暗能量的需要。有很多这样的理论，并且研究还在进行中。xxx个通过非引力手段测量的引力波的引力速度（GW170817）排除了许多这种解释暗能量修正的引力理论。天体物理学家伊森·西格尔（Ethan Siegel）指出，虽然这些替代方案获得了大量主流媒体报道，但是却没有得到专业天体物理学家的认可，且并没有成功的理论可以消除暗能量。

关于对暗能量理论的怀疑言论并没有引起宇宙学家的太多关注。例如，2019年，雅克科林（Jacques Colin）等人发表的论文《宇宙加速各向异性的证据》（Evidence for anisotropy of cosmic acceleration），暗示局部宇宙的各向异性被误传为暗能量，很快被2020年鲁斌（D. Rubin）发表的《宇宙膨胀正在加速吗？所有迹象仍然表明是：局域偶极子各向异性无法解释暗能量》（Is the Expansion of the Universe Accelerating? All Signs Still Point to Yes: A Local Dipole Anisotropy Cannot Explain Dark Energy）论文反驳。另一项研究质疑Ia型超新星的光度不随恒星年龄变化的基本假设也被其他宇宙学家迅速反驳。暗能量的一些替代方法，例如非均匀宇宙学，旨在通过更精细地使用已建立的理论来解释观测数据。在这种情况下，暗能量实际上并不存在，只是一种测量效果。例如，如果位于比平均空间更空旷的区域，观察到的宇宙膨胀率可能会被误认为是时间变化或加速度引起的。另一种不同的方法是使用等效原理在宇宙学上的推广以显示空间如何在局域星团周围的空隙中看起来更快地膨胀。虽然微弱，但考虑到经过数十亿年的累积，这种影响可能会变得很重要，从而产生宇宙加速的错觉，并使人类看起来好像生活在哈勃气泡中。还有其他可能性是，宇宙的加速膨胀是地球相对于宇宙其他部分的相对运动造成的幻觉，或者所采用的统计方法是有缺陷的。在实验室直接测量的尝试中未能检测到任何与暗能量相关的力。

宇宙学家估计宇宙加速大约从50亿年前开始。对于不同的暗能量模型，对未来的预测可能截然不同。对于宇宙学常数或任何其他预测加速将无限期持续的模型，最终结果将是本星系群外的星系视线速度将随时间不断增加，最终远超过光。这并不违反狭义相对论，因为这里使用的“速度”概念不同于局部惯性参考系中的速度，后者仍然被限制为小于光速。因为哈勃参数随着时间的推移而减小，实际上可能存在这样的情况，即一个比光速更快的速度远离我们的星系确实能够发出最终到达我们的信号。

本星系群模拟图

然而，由于加速膨胀，可以推断大多数星系最终将跨越某个宇宙事件视界，在这种情况下，它们发出的任何光超过该点时，在无限的未来任何时候都无法到达地球，因为光永远不会达到朝向我们的“本动速度”超过远离我们的膨胀速度的点。假设暗能量是恒定的宇宙学常数，当前到这个宇宙学事件视界的距离约为160亿光年，这意味着如果该事件距离我们不到160亿光年，则最终能够在未来到达我们，但如果该事件距离超过160亿光年，则信号将永远无法到达我们。当星系接近穿越这个宇宙事件视界的点时，来自它们的光将变得越来越红移，以至于波长变得太大而无法在实践中检测到，星系似乎完全消失。地球、银河系和银河系所在的本星系群，在宇宙的其余部分从视野中退去并消失时，几乎都不会受到干扰。在这种情况下，本星系群最终将达到热寂，就像在测量宇宙加速度之前假设的平坦的、由物质主导的宇宙一样。关于宇宙的未来还有其他更具推测性的想法。暗能量的幻影能量模型会导致发散膨胀，这意味着暗能量的有效力会继续增长，直到它支配宇宙中的所有其他力。在这种情况下，暗能量最终将撕裂所有受引力束缚的结构，包括星系和太阳系，并最终克服电力和核力撕裂原子本身，以“大撕裂”结束宇宙”。另一方面，暗能量可能会随着时间消散，甚至变得有引力。这种不确定性留下了引力最终占上风的可能性，并导致宇宙在“大收缩”中自我收缩，或者甚至可能存在暗能量循环，这意味着宇宙的循环模型，其中每次迭代大约需要一万亿（10^12）年。虽然这些都没有得到观察结果的支持，但也不排除它们。