暗能量在推動宇宙加速膨脹方面所扮演的角色是天文物理學中的一個關鍵挑戰，它推動著正在進行的研究和致力於揭示這種神秘力量本質的太空任務。大約138 億年前，宇宙開始迅速膨脹，我們稱之為宇宙大爆炸。在持續了幾分之一秒的初始膨脹之後，引力開始讓宇宙減速。

這張資訊圖表概述了宇宙的歷史。資料來源：美國國家航空暨太空總署

但宇宙不會一直這樣下去。宇宙開始膨脹90 億年後，在一種未知力量的推動下，宇宙開始加速膨脹，科學家將其命名為暗能量。

但暗能量究竟是什麼呢？簡短的回答是我們不知道。但我們確實知道它的存在，它使宇宙加速膨脹，大約68.3% 到70% 的宇宙都是暗能量。

一切都源自於仙王座

暗能量直到20 世紀90 年代末期才被發現。但它在科學研究中的起源卻要追溯到1912 年，當時美國天文學家亨麗埃塔-斯旺-利維特利用仙王座變星做出了一項重要發現，仙王座變星是一類恆星，其亮度波動的規律性取決於恆星的亮度。

所有具有一定週期的仙王座恆星（仙王座恆星的周期是指從明亮到暗淡再到明亮的時間）都具有相同的絕對星等或光度–它們發出的光量。利維特測量了這些恆星，證明它們的亮度週期和光度之間存在著一定的關係。利維特的發現使天文學家有可能利用恆星的週期和光度來測量我們與遙遠星系（以及我們自己的銀河系）中的仙王座恆星之間的距離。

大約在同一歷史時期，天文學家維斯托-斯萊弗（Vesto Slipher）使用他的望遠鏡的攝譜儀觀測到了螺旋星系。攝譜儀是一種將光線分成不同顏色的裝置，就像三角鏡將光線分成彩虹一樣。他利用當時相對較新的發明–攝譜儀來觀察來自星系的不同波長、不同光譜線的光線。透過他的觀測，西爾弗成為第一位觀測到遙遠星系中星系遠離我們的速度的天文學家，這種觀測被稱為紅移。這些觀測結果被證明對未來許多科學突破，包括暗能量的發現至關重要。

當天體遠離我們時，來自這些天體的光線就會拉長，這就是”紅移”。光的行為就像波一樣，而紅光的波長最長。因此，來自遠離我們的天體的光線波長較長，延伸到電磁波的”紅端”。

探索不斷擴展的宇宙

星系紅移的發現、仙王座變星的週期-光度關係，以及測量恆星或星系距離的新發現，最終讓天文學家觀測到星系隨著時間的推移離我們越來越遠，這表明宇宙正在膨脹。在隨後的幾年裡，世界上不同的科學家開始把宇宙膨脹的碎片拼湊在一起。

1922 年，俄羅斯科學家兼數學家亞歷山大-弗里德曼發表了一篇論文，詳細闡述了宇宙歷史的多種可能性。這篇論文以阿爾伯特-愛因斯坦於1917 年發表的廣義相對論為基礎，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（Georges Lemaître）發表了一篇論文，其中也提到了愛因斯坦的廣義相對論。雖然愛因斯坦在他的理論中指出宇宙是靜止的，但勒梅特爾指出了愛因斯坦理論中的方程式實際上是如何支持宇宙並非靜止而是在膨脹的觀點。

1929 年，天文學家埃德溫-哈伯（Edwin Hubble）透過他的助手、天文學家米爾頓-胡馬森（Milton Humason）的觀測，證實宇宙正在膨脹。胡馬森測量了螺旋星系的紅移。哈伯和胡馬森隨後研究了這些星系中的倒彩恆星，利用這些恆星來確定星系（或他們稱之為星雲）的距離。他們將這些星系的距離與它們的紅移進行了比較，並追蹤到一個天體離我們越遠，紅移越大，遠離我們的速度也越快。他們發現，星係等天體離地球的距離越遠，其移動速度越快，每秒可達數十萬英里–這一觀測結果現在被稱為哈伯定律或哈伯-勒梅特定律。他們證實，宇宙真的在膨脹。

這張合成圖展示了迄今為止星系團之間最複雜、最戲劇性的碰撞。這個星系的正式名稱是Abell 2744，由於發現了各種不同的結構，因此被稱為潘朵拉星系團。錢德拉（紅色）數據顯示氣體溫度高達數百萬度。藍色是根據哈伯太空望遠鏡、甚大望遠鏡（VLT）和斯巴魯望遠鏡的數據繪製的總質量濃度圖（主要是暗物質）。哈伯太空望遠鏡和甚大望遠鏡的光學數據也顯示了星系團的組成星系。天文學家認為至少有四個來自不同方向的星系團參與了這場碰撞。資料來源：X射線：NASA/CXC/ITA/INAF/J.Merten et al, Lensing：NASA/STSCI；NAOJ/Subaru；ESO/VLT，光學：NASA/STSCI/R.Dupke

超新星顯示膨脹正在加速

科學家以前認為，宇宙的膨脹很可能會隨著時間的推移而被引力減緩，而愛因斯坦的廣義相對論支持這個預期。但在1998 年，當兩個不同的天文學家小組在觀測遙遠的超新星時注意到（在某一紅移下）恆星爆炸比預期的要暗淡時，一切都改變了。這三個小組分別由天文學家亞當-里斯（Adam Riess）、索爾-珀爾馬特（Saul Perlmutter）和布萊恩-施密特（Brian Schmidt）領導。這三人因此獲得了2011年諾貝爾物理學獎。

雖然暗淡的超新星似乎不是重大發現，但這些天文學家正在觀測的是1a 型超新星，眾所周知，這些超新星具有一定的光度。因此他們知道，一定還有其他因素讓這些天體看起來更暗。科學家可以透過天體的亮度來確定距離（和速度），較暗的天體通常距離較遠（儘管周圍的塵埃和其他因素也會導致天體變暗）。

科學家由此得出結論，這些超新星的紅移距離比他們預期的要遠得多。

利用天體的亮度，研究人員確定了這些超新星的距離。利用光譜，他們還能計算出這些天體的紅移，從而推導出它們遠離我們的速度。他們發現這些超新星並不像預期的那樣接近，這意味著它們遠離我們的速度比預期的要快。這些觀測結果讓科學家最終得出結論：宇宙本身一定在以更快的速度膨脹。

雖然人們已經探索了這些觀測結果的其他可能解釋，但近年來研究更遙遠的超新星或其他宇宙現象的天文學家繼續收集證據，並為宇宙隨著時間的推移膨脹得更快這一觀點提供支持，這現象現在被稱為宇宙加速。

但是，科學家在建立宇宙加速論的同時，也提出了一個問題：為什麼？是什麼促使宇宙隨著時間的推移加速延伸？

進入暗能量

暗能量究竟是什麼？

現在，暗能量只是天文學家對導致宇宙加速膨脹的神秘的”東西”的稱呼。

有人將暗能量描述為一種負壓，它將空間向外推。然而，我們並不知道暗能量是否具有任何類型的力的作用。關於暗能量可能是什麼，有許多說法。以下是對暗能量的四種主要解釋，它有可能完全是另一種東西。

真空能量

一些科學家認為，暗能量是太空中一種基本的、無所不在的背景能量，被稱為真空能，它可能等同於宇宙常數，這是愛因斯坦廣義相對論方程中的一個數學術語。最初，宇宙常數的存在是為了抵消萬有引力，從而形成一個靜態的宇宙。但當哈伯證實宇宙實際上在膨脹時，愛因斯坦刪除了這個常數，物理學家喬治-加莫稱這是”我最大的失誤”。

但是，當後來發現宇宙的膨脹實際上是在加速時，一些科學家提出，以前被否定的宇宙學常數實際上可能存在一個非零值。他們認為，這種額外的力量是加速宇宙膨脹所必需的。這種理論認為，這種神秘的成分可以歸因於一種稱為”真空能”的東西，這是一種滲透到整個空間的理論背景能量。

空間從來不是完全空的。根據量子場論，宇宙中存在虛粒子，即粒子對和反粒子對。人們認為，這些虛粒子在宇宙中出現的同時就會相互抵消，而這種忽隱忽現的現象可能是由”真空能”造成的，”真空能”充滿宇宙並推動空間向外擴展。

雖然這個理論一直是人們討論的熱門話題，但研究這個方案的科學家已經計算出了理論上太空中應該有多少真空能。結果表明，要么存在大量的真空能，以至於在宇宙誕生之初，宇宙會以極快的速度和巨大的力量向外膨脹，以至於不可能形成恆星或星系；要么……絕對不存在真空能。這意味著，宇宙中的真空能量一定比這些預測中的要小得多。然而，這一差異至今仍未解決，甚至被稱為”宇宙常數問題”。

「五元素」：

一些科學家認為，暗能量可能是一種充滿空間的能量流體或能量場，其行為方式與正常物質相反，其數量和分佈在時間和空間上都會改變。這種假設的暗能量被暱稱為”五元素”（Quintessence），源自古希臘哲學家討論的理論上的第五元素。

一些科學家甚至認為，五元素可能是暗能量和暗物質的某種組合，儘管這兩者目前被認為是完全獨立的。雖然這兩種物質對科學家來說都是一大謎團，但暗物質被認為佔宇宙中所有物質的85%。

太空皺紋

一些科學家認為，暗能量可能是宇宙結構本身的缺陷；這種缺陷就像宇宙弦一樣，是一種假想的一維”皺紋”，被認為是在早期宇宙中形成的。

廣義相對論的缺陷

有些科學家認為，暗能量並不是我們能夠發現的物理現象。相反，他們認​​為廣義相對論和愛因斯坦的萬有引力理論可能有問題，以及它在可觀測宇宙範圍內的工作原理。在這個解釋中，科學家認為有可能修改我們對萬有引力的理解，從而在不需要暗能量的情況下解釋對宇宙的觀測。愛因斯坦其實在1919 年就提出了一個想法，叫做單模引力，這是廣義相對論的修正版，而今天的科學家認為它不需要暗能量就能解釋宇宙。

未來

暗能量是宇宙的一大謎。幾十年來，科學家一直在推測我們不斷膨脹的宇宙。現在，我們第一次有了足夠強大的工具來檢驗這些理論並真正研究這個大問題：”暗能量是什麼？”

美國國家航空暨太空總署（NASA）在歐空局（ESA）的歐幾里德（Euclid）任務（2023 年發射）中發揮著至關重要的作用，該任務將繪製宇宙三維地圖，以觀察物質是如何隨著時間的推移被暗能量拉開的。該地圖將包括對距離地球100 億光年的數十億星系的觀測。

美國國家航空暨太空總署（NASA）的南希-格蕾絲-羅曼太空望遠鏡將於2027年5月發射升空，旨在研究暗能量等諸多科學主題，也將繪製立體暗物質地圖。羅曼望遠鏡的解析度將與美國國家航空暨太空總署的哈伯太空望遠鏡一樣清晰，但視野要大100 倍，因此能夠捕捉到更廣闊的宇宙影像。這將使科學家能夠繪製出宇宙中物質的結構和分佈情況，並探索暗能量的表現和隨時間的變化。羅曼還將進行額外的巡天觀測，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之外，由包括美國國家科學基金會在內的大型合作機構支持的維拉-C-魯賓天文台（目前正在智利建造）也準備好支持我們對暗能量的不斷深入了解。該地面觀測站預計將於2025 年投入使用。

在歐幾里德、羅曼和魯賓的共同努力下，宇宙學將迎來一個新的”黃金時代”，科學家們將收集到比以往任何時候都更加詳細的關於暗能量之謎的信息。

此外，美國國家航空暨太空總署（NASA）的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（2021 年發射）是世界上最強大、最大的太空望遠鏡，旨在為多個研究領域做出貢獻，並將為暗能量研究做出貢獻。

美國國家航空暨太空總署（NASA）的SPHEREx（宇宙歷史、再電離紀元和冰探索者分光光度計）任務計畫最遲於2025年4月發射，旨在研究宇宙的起源。SPHEREx將用近紅外線探測整個天空，其中包含4.5億多個星系，科學家希望SPHEREx收集到的數據能幫助我們進一步了解暗能量。

美國國家航空暨太空總署（NASA）也支持一個名為”暗能量探索者”的公民科學項目，該項目使世界上任何人，即使沒有受過科學訓練，也能幫助尋找暗能量的答案。

最後，需要澄清的是，暗能量並不等於暗物質。它們的主要相似之處在於：我們還不知道它們是什麼！

編譯自: ScitechDaily