一個決定宇宙命運的參數
神秘的暗能量
1998年，一項全新的發現刷新了我們對宇宙的認知：天文學家在觀測相對遙遠的Ia型超新星後發現，我們的宇宙不只是像過去所認為的那樣在膨脹，而是在加速膨脹！
這個發現完全出乎意料，因為由於星系和星系團之間的引力作用，宇宙的膨脹應該會隨著時間逐漸減慢，但真實情況卻並非如此。天文學家也將加速宇宙膨脹的幕後推手稱為「暗能量」，它的本質是物理學中最大的謎團。
不久前，暗能量巡天（DES）的科學家發布了一項前所未有的分析結果，讓我們更深入的了解了暗能量的奧秘和宇宙的膨脹。
圖中所顯示的超新星是由DES發現。（圖/DES collaboration）
一個難以捉摸的參數
DES的結果是全球研究人員數年工作的成果，它測量了暗能量的狀態方程參數w，w=p/ρ（p是壓力，ρ是能量密度）。自發現暗能量以來，其狀態方程的值一直是一個基本問題，所以計算出這個數字是真正理解暗能量本質的第一步。
根據標準的宇宙學模型，宇宙中暗能量的密度是恆定的，這意味著它不會隨著宇宙的膨脹而稀釋。如果事實果真如此，那麼狀態方程參數應該等於-1，即w=-1。
為了更好地測量w的值，DES團隊依舊使用了來自Ia型超新星的數據。什麼是Ia型超新星呢？當一顆太陽質量恆星耗盡所有燃料時，其核心最終會坍縮形成白矮星。如果白矮星是在一個雙星系統中，它的強大引力會掠奪另一顆恆星的氣體，使它的質量不斷增長。當白矮星的質量增長到1.4個太陽質量時，它就會爆炸形成Ia型超新星（如下圖）。
左：白矮星的引力會吸引伴星的氣體；右：當白矮星的質量達到所謂的錢德拉塞卡極限時，它就會爆炸形成Ia型超新星。（圖/原理）
由於所有白矮星的臨界質量都幾乎相同，所以所有Ia型超新星的實際亮度也大致相同，任何剩餘的變化都可以校準出來。因此，當比較從地球上看到的兩顆Ia型超新星的視亮度時，就可以確定它們與我們的相對距離。
紅移：由於宇宙膨脹，天體發出的光的波長會被拉長，向光譜的紅端移動。紅移越大，代表著天體距離我們越遠。（圖/DES collaboration）
天體物理學家通過大量的超新星樣本來追溯宇宙膨脹的歷史，這些樣本跨越了很長的距離。對於每一個超新星，他們都將距離的測量結果與紅移的測量結果結合起來。他們可以利用這段歷史來確定暗能量密度是保持不變還是隨時間而變化。
通過使用超新星數據，最終，DES得到的結果是w=-0.8。而當結合普朗克望遠鏡的補充數據時，w將接近於-1。研究人員表示，我們可能需要一個更複雜的模型，或許暗能量確實會隨時間變化。
宇宙膨脹的歷史可以通過比較退行速度（紅移）和每個超新星的距離來追溯。DES的結果表明，宇宙的膨脹的確會隨著時間而加速。（圖/DES collaboration）
為了得到更加明確的結論，科學家還需要更多的數據。去年7月發射的歐幾里得空間望遠鏡，以及位於智利的新薇拉·魯賓天文台的超新星實驗，都將發現更多的超新星，從而有助於科學家對狀態方程進行更精確的測量。
宇宙的命運
當天文學家第一次發現宇宙在加速時，傳統的觀點認為宇宙將會一直膨脹下去。然而，在我們更好地理解暗能量的本質之前，宇宙仍然有可能迎來別的結局：大擠壓或大撕裂。
在大擠壓模型中，宇宙最終會停止膨脹，然後逆轉，導致宇宙重新坍縮。在大撕裂模型中，宇宙將會以越來越快的速度無限膨脹——最終將星系、行星系統甚至時空本身拉開。DES的最新測量結果可能就標著大撕裂模型的終結，因為在這個模型中w要小於-1。
參考來源：
https://news.fnal.gov/2024/01/final-supernova-results-from-dark-energy-survey-offer-unique-insights-into-the-expansion-of-the-universe/%20
封面圖&首圖：Reidar Hahn, Fermilab