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NASA的罗曼太空望远镜可能揭示暗能量的最深秘密
科学家们越是试图理解暗能量，其谜团似乎就越多。NASA最新的太空望远镜正是为破解这一难题而定制。
来源:科学美国人科学家对宇宙中最主导的力量知之甚少，以至于他们用一个包罗万象的占位名称来称呼它：暗能量。
这就是导致宇宙膨胀随时间加速的那种顽固神秘的东西。现在，在暗能量被发现近三十年后，天文学家们让自己希望突破已近在咫尺。
这种希望来自NASA的南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜，该机构最早将于8月30日发射它。当罗曼在明年初完全投入使用后，它将完成三个大型巡天项目，共同解决暗能量之谜——这正好及时，因为最近的研究表明，暗能量可能比科学家们想象的更复杂。
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“我们开始看到早期宇宙测量和晚期宇宙测量之间的紧张关系，”NASA喷气推进实验室的宇宙学家Jason Rhodes说，他在罗曼团队工作。“我们中的一些人认为这些紧张关系可能表明我们正处于宇宙学另一次革命的成熟时机。”
暗能量的麻烦
暗能量在宇宙中的印记于1998年被发现，当时绘制遥远星系运动和距离的天文学家记录到宇宙不仅在膨胀，而且随时间越来越快地膨胀。这是一个革命性的发现，在很大程度上因为没有人预料到任何类似的事情——然而，一次又一次，可能将暗能量视为幻象的测试反而证实了它的现实。因此，宇宙学家在评估构成宇宙绝大部分的物质时，除了冷暗物质——他们已推测其超过我们可触摸和看见的普通物质——之外，也将暗能量纳入考虑。
多年来，在对大尺度宇宙结构的粗略后续研究中，暗能量看起来等同于Lambda，那个臭名昭著的“宇宙常数”被匆忙地从阿尔伯特·爱因斯坦早期广义相对论中借用。由此诞生了Lambda冷暗物质模型，即所谓的宇宙学标准模型，它试图将宇宙提炼为一个基本配方，忠实地复制天文学家所能看到的大部分内容。
尽管如此，并非每个人都完全满意。“Lambda是最无聊的暗能量模型，”加州大学欧文分校的宇宙学家Kevork Abazajian说。“什么都没有改变。”
而且对于Lambda-CDM来说，事情从未完全吻合。最持久的问题是臭名昭著的哈勃张力，通过它，宇宙膨胀速率在计算近宇宙和远宇宙时似乎莫名其妙地不同。近年来，理论家们还出现了其他差异，像打地鼠游戏一样。还有一系列由詹姆斯·韦伯太空望远镜观测重建的宇宙时间线中的小问题，超大质量黑洞和复杂有机分子在宇宙历史中形成的时间比科学家认为可能的更早。还有sigma-eight张力，它指出物质在宇宙尺度上的分布比标准模型预测的更均匀。
最新的障碍来自两个大型地面计划，暗能量巡天和暗能量光谱仪，每个都旨在绘制大量星系图，让科学家更好地看到暗能量对宇宙的影响。DES和DESI在很大程度上相互独立，但近年来两者都发现了类似微小但诱人的暗示，即暗能量可能随时间变化。“这让每个人都有些紧张，”澳大利亚昆士兰大学的天体物理学家Tamara Davis说，她是两个合作的成员。
总而言之，宇宙学家们越来越质疑他们引以为傲的标准模型的有效性，尽管没有人能确切决定下一步是什么。“它开始破裂并不奇怪，”加州大学圣克鲁兹分校的宇宙学家Alexie Leauthaud说，她是DESI合作的成员。“这是好消息，因为我们实际上有某种阴影可以追逐。”
但理论家们一直在努力拼凑一种既能匹配Lambda-CDM的非凡成功又能消除差异的新方法。“我们看到的这些裂缝在我看来不像是Lambda-CDM的根本转变，而是像随机出现在奇怪地方的裂缝，”北卡罗来纳大学教堂山分校的理论宇宙学家Adrienne Erickcek说。
最可能的结论可能只是“暗区”比预期的更复杂。也许还有其他“黑暗”谜团等待被发现，或者也许暗物质和暗能量有秘密的相互作用，无论是各自还是通过彼此交互。“我们描述我们知道的黑暗事物的方式非常普通，”约翰霍普金斯大学的宇宙学家Adam Riess说，他因发现暗能量而分享了2011年诺贝尔物理学奖。“它们没有糖屑；没有巧克力片；没有其他纹理或正在发生的事情；它们非常简单——也许情况并非如此。”
罗曼来救援？
虽然罗曼仅积极开发了大约十年，但该任务的核心概念可追溯到暗能量被发现后的几年。虽然它将为几乎所有类型的天体物理学产生大量数据，暗能量仍然是罗曼工作的关键支柱之一。
罗曼将追踪三种不同的探测暗能量的方式，试图更精确地定义其对宇宙的影响以及它们是否随时间变化。第一种涉及巡天寻找一种特殊的超新星，它如此可预测，科学家可以用它作为信标来计算宿主星系的距离和它远离我们的速度——与20世纪90年代首次暴露暗能量的技术相同。第二种涉及绘制大量星系图以辨别宇宙中巨大、暗淡的气泡，这些气泡代表声波的化石印记，随着宇宙膨胀和冷却从原始等离子体中冻结出来。这些气泡的大小与极早期宇宙的尺寸和增长成比例，为研究宇宙随时间变化提供了强大的探针。第三种追踪器使用一种称为微引力透镜的技术，通过暗物质对背景星光的扭曲揭示暗物质团块，以填补科学家对物质宇宙分布仍不完整的评估。
罗曼将加入另外两个大型项目的这项工作：欧洲航天局的欧几里得太空望远镜，于2023年发射，以及美国国家科学基金会在智利的Vera C. Rubin天文台，去年开始运营。这三者将巡天，它们的数据洪流将输入大规模分析，寻找最近DES和DESI发现几乎无法辨认的暗能量效应。
“他们在做我们在这些DESI结果之后想要的事情，”Rhodes说，他同时在欧几里得和罗曼工作。“它们在恰到好处的时间上线做我们需要的，所以要么是远见，要么是运气，或者两者兼有。”
这三个计划是互补的，Rhodes说。罗曼的巡天范围不如其同行广，但它能比欧几里得更深入地探测太空，并产生比鲁宾更清晰的图像。科学家说，这些巡天之间的重叠对于区分暗能量的真正影响与各种可能的观测偏差形式将是非常宝贵的。
“例如，如果罗曼和欧几里得得到相同的答案，那将是一个非常有力的迹象，表明我们走在正确的轨道上，”JPL的宇宙学家Katarina Markovic说，她在罗曼工作。
即使这三者强大组合也不能保证能完全揭示暗能量，Riess说，但他认为他们应该能够回答关键问题：该现象是否在宇宙时间中变化。Rhodes说，单凭这一点就应该能指导努力理解标准模型裂缝的理论家们——证明暗能量不是什么，即使没有人能证明它是什么。