暗能量光谱巡天观测揭示宇宙动力学演化的新进展
暗能量光谱巡天观测揭示宇宙动力学演化的新进展
中国科学技术大学天文学系蔡一夫教授带领国际合作团队，利用暗能量光谱仪（DESI）最新发布的重子声学振荡（BAO）数据，结合先前的观测数据，通过高斯重构方法在动态暗能量框架下重构了宇宙背景演化。研究发现暗能量状态方程参数呈现出穿越-1的“精灵-B”（quintom-B）动力学演化行为，这一发现有助于深化对宇宙晚期加速膨胀的理解。
1998年，通过对遥远的Ia型超新星的观测，科学家们首次发现了宇宙正在加速膨胀的现象，并将驱动这一膨胀的神秘力量命名为“暗能量”。在当前的宇宙学标准模型中，可见物质仅占宇宙总能量的5%，暗物质占27%，而剩余的68%都是导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗能量的物理本质和动力学特征是当前物理学领域的一大谜题，也是暗能量光谱仪项目研究的主要科学目标。
2024年4月，暗能量光谱仪团队发布了第一年观测的结果，利用迄今为止最精确的测量数据，绘制了迄今为止最大的宇宙三维地图，以超过1%的精度测量了宇宙晚期的膨胀历史，为我们提供了研究宇宙演化历程的最佳途径。同时，观测结果表明，主导宇宙晚期加速膨胀的暗能量可能并非传统意义上的宇宙学常数，它可能具有一个动力学演化特征。
图1：DESI绘制的迄今为止最大的宇宙三维地图，提供了研究宇宙演化历程的最佳途径
本研究依托最新的DESI观测数据，利用高斯过程的方法，重构出了暗能量的状态方程参数随着时间的演化特征，并将其与一些广泛研究的修改引力模型进行拟合对比。研究分析表明，重构的暗能量状态方程参数支持张新民研究团队在2004年提出的暗能量精灵（quintom）模型，其呈现出一种“精灵-B”（quintom-B）的演化特征，即随着宇宙的膨胀，暗能量的状态方程参数会从“幽灵”（phantom）区域自下往上越过-1演化到“精质”（quintessence）区域。
图2：利用DESI观测数据以及先前BAO观测数据（P-BAO），通过高斯过程的方法重构出的暗能量的状态参数随时间演化的特征
为了进一步讨论这一动力学特征如何通过理论来进行诠释，本研究特别考虑了三种不同的修改引力理论作为具体举例，分别为f(R), f(T), f(Q)引力理论，并对引力模型进行了数据重构。这三种理论不仅能呈现出“精灵-B”的演化特征，而且能够与DESI的观测数据符合很好。对被重构的这三种修改引力理论而言，数据拟合结果发现它们相比较于标准的ΛCDM模型都存在轻微地二次项偏移。
图3：不同引力理论的重构方程F(X)，X表示R、T或Q, X0为当前值。其中f(T)和f(Q)引力的背景阶演化一致
暗能量究竟是对应着什么物理内涵对于我们来说仍然是一个未解之谜，但最新的DESI数据表明他可能并不是传统意义上的宇宙学常数。因此无论是从现象学还是从理论上的角度去研究暗能量的动力学特征都是十分重要的，希望本研究起到一个抛砖引玉的作用，能够在未来吸引越来越多的年轻人投入到这一基础问题的研究中。
本工作合作团队人员还包括：雅典国家天文台Emmanuel N. Saridakis教授、中科大物理学院硕士生杨宇杭、博士后任鑫（现在东京工业大学进行国家留学基金委创新型人才国际合作培养项目）、博士生王晴晴、陆志宇和张东东。