解密黑暗：不断加速的宇宙和对暗能量的探索
解密黑暗：不断加速的宇宙和对暗能量的探索
暗能量是推动宇宙加速膨胀的关键力量，它占据了宇宙总能量的近70%，但其本质至今仍是未解之谜。从20世纪初仙王座变星的发现，到1998年超新星观测揭示宇宙加速膨胀，科学家们一直在努力揭开暗能量的神秘面纱。本文将带你走进暗能量的探索之旅，了解这一神秘力量的历史、现状和未来。
这张信息图概述了宇宙的历史。资料来源：美国国家航空航天局
从仙王座到红移：暗能量的科学溯源
暗能量直到20世纪90年代末才被发现，但其科学溯源可以追溯到1912年。当时，美国天文学家亨丽埃塔·斯旺·利维特发现了一类恒星——仙王座变星，其亮度波动规律与恒星亮度相关。这一发现为测量遥远星系的距离提供了重要工具。
大约在同一时期，天文学家维斯托·斯莱弗使用摄谱仪观测螺旋星系时，首次观测到星系远离我们的速度，这种现象被称为红移。红移现象表明，来自远离我们的天体的光线波长更长，延伸到电磁波的"红端"。
宇宙膨胀的科学拼图
星系红移的发现、仙王座变星的周期-光度关系，以及测量恒星或星系距离的新发现，最终让天文学家观测到星系随着时间的推移离我们越来越远，这表明宇宙正在膨胀。
1922年，俄罗斯科学家亚历山大·弗里德曼基于爱因斯坦的广义相对论，提出了宇宙膨胀的可能性。1927年，比利时天文学家乔治·勒梅特进一步指出，爱因斯坦理论中的方程支持宇宙膨胀的观点。1929年，天文学家埃德温·哈勃通过观测螺旋星系的红移，证实了宇宙正在膨胀。
这张合成图展示了迄今为止星系团之间最复杂、最戏剧性的碰撞。这个星系的正式名称是 Abell 2744，由于发现了各种各样不同的结构，因此被称为潘多拉星系团。资料来源：X射线：NASA/CXC/ITA/INAF/J.Merten et al, Lensing：NASA/STSCI；NAOJ/Subaru；ESO/VLT，光学：NASA/STSCI/R.Dupke
超新星观测揭示宇宙加速膨胀
1998年，三个天文学家小组在观测遥远的1a型超新星时发现，这些恒星爆炸比预期的要暗淡。这一发现颠覆了此前认为宇宙膨胀会因引力而减缓的预期，表明宇宙实际上在加速膨胀。这一现象现在被称为宇宙加速。
暗能量的本质：四种主要解释
虽然暗能量的本质仍然是个谜，但科学家提出了几种可能的解释：
真空能量：认为暗能量是太空中一种基本的、无处不在的背景能量，即真空能。这种能量可能等同于爱因斯坦广义相对论方程中的宇宙常数。
五元素：假设暗能量是一种充满空间的能量流体或能量场，其行为方式与正常物质相反。这种假设的暗能量被昵称为"五元素"。
太空皱纹：认为暗能量可能是宇宙结构本身的一种缺陷，类似于宇宙弦。
广义相对论的缺陷：认为暗能量并不是真正的物理现象，而是对广义相对论和万有引力理论的修正。
未来的探索计划
为了进一步研究暗能量，多个太空任务和地面观测站正在规划或进行中：
欧几里得任务（2023年发射）：将绘制宇宙三维地图，观测物质如何被暗能量拉开。
南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜（2027年发射）：将绘制三维暗物质地图，并进行Ia型超新星观测。
维拉·C·鲁宾天文台（预计2025年投入使用）：将支持对暗能量的深入研究。
詹姆斯·韦伯太空望远镜（2021年发射）：将为暗能量研究提供重要数据。
SPHEREx任务（计划2025年发射）：将用近红外线探测整个天空，研究宇宙起源。
暗能量探索者：一个公民科学项目，让公众参与暗能量的研究。
暗能量是宇宙的一大谜团，但随着科技的进步和多个大型项目的推进，我们有望在未来揭开这一神秘力量的面纱。