暗黑能量：驅動宇宙膨脹的神秘力量

暗黑能量至今仍是一個謎團，但強大的新型望遠鏡即將揭開其中的線索。在美國國家航空暨太空總署（NASA）和歐洲太空總署（ESA）的帶領下，未來十年有望最終揭示是什麼力量在推動宇宙不斷分離。

大約138億年前，宇宙以被稱為「大霹靂」的事件誕生。瞬間，空間以難以想像的速度膨脹。在最初的爆發之後，引力開始主導，逐漸使膨脹速度減緩。數十億年來，宇宙似乎只是在向外滑行。然而，意想不到的事情發生了。

大霹靂大約90億年後，宇宙的膨脹再次開始加速，這違背了本應使膨脹減速的引力。科學家意識到，有某種未知的力量正在以越來越快的速度推動空間分離，他們將這種神秘現象命名為「暗黑能量」。

那麼，暗黑能量究竟是什麼呢？簡單的答案是：我們不知道。但我們確定的是，暗黑能量是真實存在的，它正在推動宇宙加速膨脹，並且佔據了宇宙中約68 - 70%的成分。

儘管暗黑能量直到20世紀90年代末才被發現，但對宇宙膨脹的探索早在更早之前就開始了。1912年，美國天文學家亨麗埃塔·斯旺·勒維特在研究造父變星時有了突破性的發現。造父變星是一類亮度有規律變化的恆星，勒維特發現造父變星的亮度週期與其實際光度直接相關。這一發現為天文學家提供了一個強大的工具：透過測量造父變星的脈動週期，他們可以計算出它與地球的距離。

大約在同一時期，天文學家維斯托·斯里弗使用望遠鏡的攝譜儀觀察螺旋星系。攝譜儀可以將光分解成不同的顏色，就像稜鏡將光分解成彩虹一樣。斯里弗是第一個觀察到遙遠星系紅移現象的天文學家，即星系遠離我們的速度。這些觀察結果對許多未來的科學突破至關重要，包括暗黑能量的發現。

紅移是指天體遠離我們時，其發出的光的波長會被拉伸。光具有波的特性，紅光的波長最長。因此，遠離我們的天體發出的光的波長會變長，向電磁波譜的紅端移動。

星系紅移的發現、造父變星的週期 - 光度關係以及測量恆星或星系距離的新能力，最終促使天文學家觀察到星系隨時間逐漸遠離我們，這表明宇宙正在膨脹。此後，世界各地的不同科學家開始將宇宙膨脹的各個方面整合起來。

1922年，俄羅斯科學家兼數學家亞歷山大·弗裡德曼發表了一篇論文，詳細闡述了宇宙歷史的多種可能性。這篇論文基於阿爾伯特·愛因斯坦1917年發表的廣義相對論，其中包括宇宙正在膨脹的可能性。

1927年，比利時天文學家喬治·勒梅特發表了一篇論文，同樣考慮了愛因斯坦的廣義相對論。愛因斯坦在他的理論中認為宇宙是靜態的，但勒梅特指出，愛因斯坦理論中的方程式實際上支援宇宙不是靜態的，而是正在膨脹的觀點。

1929年，天文學家愛德溫·哈勃利用他的同事米爾頓·赫馬森的觀測結果，證實了宇宙正在膨脹。赫馬森測量了螺旋星系的紅移，哈勃和赫馬森隨後研究了這些星系中的造父變星，以確定星系的距離。他們比較了這些星系的距離和紅移，發現物體越遠，紅移越大，遠離我們的速度也越快。這一觀察結果現在被稱為哈勃定律，或哈勃 - 勒梅特定律，證實了宇宙確實在膨脹。

此前，科學家認為宇宙的膨脹可能會隨時間被引力減緩，這一預期得到了愛因斯坦廣義相對論的支援。但在1998年，一切都改變了。兩支不同的天文學家團隊在觀察遙遠的超新星時發現，（在一定的紅移下）這些恆星爆炸比預期的要暗。這些團隊由天文學家亞當·里斯、索爾·珀爾馬特和布賴恩·施密特領導，他們因這項工作獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。

暗淡的超新星看似不是重大發現，但這些天文學家觀察的是Ia型超新星，它們具有特定的光度。因此，他們知道一定有其他因素使這些物體看起來更暗。科學家可以透過物體的亮度來確定其距離（和速度），較暗的物體通常更遠。

這使得科學家得出結論，這些超新星比根據其紅移預期的距離要遠得多。研究人員透過物體的亮度確定了這些超新星的距離，並透過光譜計算出它們的紅移，從而得知它們遠離我們的速度。他們發現，這些超新星比預期的要遠，這意味著它們遠離我們的速度比預期的要快。這些觀察結果最終使科學家得出結論，宇宙本身的膨脹速度隨時間在加快。

雖然人們探索了對這些觀察結果的其他可能解釋，但近年來研究更遙遠超新星或其他宇宙現象的天文學家繼續收集證據，支援宇宙膨脹速度隨時間加快的觀點，這一現象現在被稱為宇宙加速膨脹。

隨著科學家為宇宙加速膨脹提供了越來越多的證據，他們也提出了一個問題：為什麼？是什麼力量在推動宇宙隨時間更快地伸展？於是，暗黑能量進入了人們的視野。

目前，暗黑能量只是天文學家給予那種導致宇宙加速膨脹的神秘事物的名稱。一些人認為暗黑能量具有負壓的效果，推動空間向外擴充套件。然而，我們並不知道暗黑能量是否真的具有任何型別的力。關於暗黑能量可能是什麼，有許多想法在流傳。以下是四種主要的解釋，但請記住，它也可能是完全不同的東西。

一些科學家認為，暗黑能量是一種存在於空間中的基本、恆定的背景能量，稱為真空能量，它可能等於宇宙學常數，這是愛因斯坦廣義相對論方程式中的一個數學項。最初，這個常數的存在是為了平衡引力，使宇宙保持靜態。但當哈勃證實宇宙實際上在膨脹時，愛因斯坦移除了這個常數，據物理學家喬治·伽莫夫稱，愛因斯坦稱之為「我最大的錯誤」。

但後來發現宇宙的膨脹實際上在加速，一些科學家認為，之前被否定的宇宙學常數可能實際上有一個非零的值。他們認為，這種額外的力量對於加速宇宙的膨脹是必要的，並推測這個神秘的組成部分可能與真空能量有關。真空能量是一種理論上瀰漫於整個空間的背景能量。

根據量子場論，空間從來都不是完全空的，存在虛粒子，即粒子和反粒子對。這些虛粒子在宇宙中出現後幾乎立即相互抵消，而這種在宇宙中進出存在的行為可能是由填滿宇宙並推動空間向外的真空能量所促成的。

雖然這個理論一直是一個熱門的討論話題，但研究這個選項的科學家計算了理論上空間中應該存在的真空能量的量。他們發現，要麼真空能量應該非常多，以至於在宇宙最初的時候，宇宙會以極快的速度和極大的力量向外膨脹，導致沒有恆星或星系能夠形成；要麼……應該完全沒有。這意味著宇宙中的真空能量量必須比這些預測中的要小得多。然而，這種差異尚未得到解決，甚至被稱為「宇宙學常數問題」。

一些科學家認為，暗黑能量可能是一種充滿空間的能量流體或場，其行為與普通物質相反，並且其數量和分佈在時間和空間上都可能有所不同。這種假設的暗黑能量版本被暱稱為「第五元素」，得名於古希臘哲學家討論的理論上的第五種元素。

甚至有科學家認為，「第五元素」可能是暗黑能量和暗物質的某種組合，儘管目前這兩者被認為是完全分開的。雖然它們對科學家來說都是重大的謎團，但暗物質被認為佔宇宙中所有物質的約85%。

一些科學家認為，暗黑能量可能是宇宙結構本身的一種缺陷，比如宇宙弦，這是一種假設的一維皺褶，被認為是在宇宙早期形成的。

一些科學家認為，暗黑能量不是我們可以發現的物理實體。相反，他們認為愛因斯坦的廣義相對論和引力理論在可觀測宇宙的尺度上可能存在問題。根據這種解釋，科學家認為有可能修改我們對引力的理解，從而在不需要暗黑能量的情況下解釋對宇宙的觀察結果。愛因斯坦在1919年實際上提出了一種稱為「單模引力」的想法，這是廣義相對論的一種修改版本，如今的科學家認為它不需要暗黑能量就能解釋宇宙。

暗黑能量是宇宙中最大的謎團之一。數十年來，科學家一直在對宇宙的膨脹進行理論研究。現在，我們首次擁有了足夠強大的工具來驗證這些理論，並真正探究這個重大問題：暗黑能量究竟是什麼？

美國國家航空暨太空總署（NASA）在歐洲太空總署（ESA）於2023年發射的「歐幾裡得」任務中扮演著關鍵角色。「歐幾裡得」將繪製宇宙的3D地圖，以觀察物質如何隨時間被暗黑能量分離。這張地圖將包括對距地球高達100億光年的數十億個星系的觀察。

美國國家航空暨太空總署的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡計劃於2027年5月前發射，旨在研究暗黑能量等多個科學主題，並將建立一張3D暗物質地圖。羅曼望遠鏡的解析度將與哈勃太空望遠鏡一樣清晰，但視野是哈勃的100倍，這將使它能夠捕捉到更廣闊的宇宙影象。這將使科學家能夠繪製物質在宇宙中的結構和分佈，並探索暗黑能量的行為和隨時間的變化。羅曼望遠鏡還將進行額外的調查，以探測Ia型超新星。

除了美國國家航空暨太空總署的任務和努力外，由美國國家科學基金會等多方合作支援、目前正在智利建設的維拉·C·魯賓天文臺也將有助於我們對暗黑能量的理解。這座地面天文臺預計於2025年投入使用。

「歐幾裡得」、羅曼望遠鏡和魯賓天文臺的共同努力將開啟宇宙學的新黃金時代，科學家將收集到比以往任何時候都更詳細的關於暗黑能量這個重大謎團的資訊。

此外，2021年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是世界上最強大、最大的太空望遠鏡，它旨在為多個研究領域做出貢獻，也將為暗黑能量的研究做出貢獻。

美國國家航空暨太空總署的SPHEREx任務計劃於2025年2月27日發射，旨在探索宇宙的起源。科學家預計，SPHEREx將在近紅外光下對整個天空進行調查，包括超過4.5億個星系，所收集的資料可能有助於進一步我們對暗黑能量的理解。

美國國家航空暨太空總署還支援一個名為「暗黑能量探索者」的公民科學專案，這使得世界上任何人，即使沒有科學訓練，也能幫助尋找暗黑能量的答案。

最後需要澄清的是，暗黑能量與暗物質不同。它們的主要相似之處是，我們目前都還不知道它們究竟是什麼！