DESI发布前三年宇宙天图数据，暗示暗能量可能随时间演化？

近期，暗能量光谱仪 (DESI) 合作组发布了新的宇宙膨胀天图。其基于前三年的观测数据发现，驱动宇宙加速膨胀的神秘力量——暗能量——或许并非恒定不变。这是否意味着统治宇宙学数十年的标准模型需要重大修正？

近一个世纪以来，我们知道宇宙在膨胀。而仅约四分之一世纪前，科学家又发现这个膨胀正在加速（该发现获得了2011年诺贝尔物理学奖）。那么，究竟是何种神秘力量（我们称之为“暗能量”）在驱动这一加速膨胀呢？

最简单的解释源自爱因斯坦的“宇宙常数”（Λ），即暗能量是时空的内禀属性。这个假设构成了标准宇宙学模型的基石。数十年来，天文学家利用包含宇宙学常数的冷暗物质模型（即ΛCDM）来解释几乎所有的天文观测。如今，新的高精度观测正在对该模型进行史上最严格的检验。

“暗能量光谱仪 (DESI)”项目绘制出了前所未有的大尺度宇宙天图，其初步分析指向了一个惊人的可能性：暗能量或许不是恒定的。这对我们理解宇宙的基础框架提出了挑战。

DESI前三年数据的切片，绘制了迄今最大的宇宙三维天图

要刻画宇宙的膨胀历史，我们需要一把在物理尺度上确定的“标尺”。宇宙诞生之初残留的涟漪——重子声波振荡 (BAO)——就可以充当这把尺子。大爆炸发生约38万年后，早期等离子体中的声波从高密度区向外传播，就像石子投入水面激起涟漪。随着宇宙膨胀和冷却，光子与物质最终“脱钩”，这些BAO涟漪被有效地“冻结”下来，在空间物质分布上留下了一个特征尺度。通过观测星系等天体分布的微小涨落，我们就能测量这个尺度。

通过测量宇宙不同历史时期这把“尺子”的大小，我们就能推算出宇宙膨胀率随时间的变化。DESI巡天项目传承自此前的斯隆数字巡天(SDSS)，但规模更为宏大。它绘制了数千万个天体的三维空间分布图，并采用不同类型的天体来“示踪”不同时期的宇宙。

• 对于近邻宇宙（红移z低于0.4），采用了“亮星系巡天”样本。
• 对于更早期的宇宙，则通过“亮红星系”和“发射线星系”来探测。
• 对于高红移（z > 2）的遥远宇宙，DESI利用类星体来示踪。类星体发出的辐射在穿越宇宙中由薄片、纤维和空洞构成的“宇宙网”时，会形成氢元素的特征吸收谱线，即莱曼—阿尔法森林。分析这些吸收线可以追溯宇宙重子物质的分布结构。DESI通过观测超过82万个类星体的光谱，探测到了110亿年前的宇宙。

这项研究整合了从近邻星系到遥远类星体的所有示踪天体，绘制出了迄今最全面的宇宙天图。DESI巡天仅用前三年就获取了超过一千万个星系和类星体的数据，测量精度惊人：对BAO特征尺度的测量误差已低于1%，比首次发布的结果提升了30%至50%。

DESI团队发现，这些观测数据能够很好地与标准ΛCDM模型拟合。然而，拟合得到的最佳参数与另一种关键观测——宇宙微波背景辐射（CMB）——给出的结果之间，存在微小却日益明显的差异。

尽管几年前DESI与CMB的分析结果在误差范围内尚能保持一致，但新数据揭示了潜在的分歧：两种方法得到的不一致性达到了2.3倍标准差。虽然这还远未达到5倍标准差的“发现”门槛，但它无疑是一个值得高度关注的重要线索。

那么，如果暗能量并非宇宙学常数呢？这将是一个戏剧性的转变。DESI团队探索了更灵活的模型，允许描述暗能量性质的关键参数w（定义为压强与能量密度之比）随时间变化。在标准的ΛCDM模型中，w恒等于-1。而分析显示，允许w随时间演化的模型，能够更好地拟合DESI的观测数据。

一个更值得注意的迹象是：当把DESI的数据与宇宙微波背景辐射、超新星等其他独立观测数据结合起来进行全局分析时，暗示暗能量演化的统计显著性上升到了4.2倍标准差。这暗示着暗能量的作用在宇宙近期可能有所增强。如果这一点最终被证实，无疑将是一个里程碑式的科学突破。

我们正身处一个激动人心的时代。尽管DESI当前的结果并未明确推翻标准模型，但它强烈暗示ΛCDM模型可能存在尚未被理解的缺陷。同时，DESI所实现的高精度测量本身也是革命性的。未来，任何关于暗能量的新理论，都必须首先通过这些精确的宇宙膨胀历史测量数据的检验。

需要注意的是，DESI的研究仍在深入开展。目前的结果仅基于其五年巡天计划中前三年的数据。未来更庞大、更完整的数据集将有助于进一步降低统计误差，从而更清晰地回答“暗能量是否演化”这一根本性问题。此外，DESI与欧几里得空间望远镜、薇拉·鲁宾天文台等其他前沿项目的协同观测，也将为我们提供更立体的宇宙图景。

未来的可能性无外乎三种：新的数据巩固了现有标准模型；当前的迹象源于未被发现的系统误差；或者，我们真的发现了暗能量随时间演化的确凿证据。无论结局是哪一种，都将对我们理解宇宙的本质产生深远影响。

对这类宇宙学标准模型的基石进行检验，本身就体现了现代天体物理学强大的探测与计算能力。让我们共同期待DESI发布全部五年观测数据后的分析结果，那或许将是改写教科书的一刻。

本文编译来源：Matteo Viel， Physics， October 6， 2025.