暗能量正在變化？最新宇宙觀測挑戰標準宇宙模型

目前，標準宇宙模型「ΛCDM」（Lambda-Cold Dark Matter，宇宙常數─冷暗物質模型）是現代宇宙學的主流理論架構，成功解釋了宇宙大尺度結構的形成與演化，宇宙僅約 5% 物質為我們熟知的普通物質，其餘由暗物質（約 25%）與暗能量（約 70%）構成。暗能量被視為驅動宇宙加速膨脹的來源，並假設能量密度隨時間保持不變，也就是所謂的「宇宙常數」（Λ）。然而，兩項最新大型國際合作計畫，暗能量光譜儀（DESI）與暗能量調查（DES）挑戰這項假設，暗能量可能會隨時間演化，動搖我們對宇宙膨脹的基本認識。

暗能量光譜儀：揭示宇宙膨脹歷程的高精度地圖

「暗能量光譜儀」（Dark Energy Spectroscopic Instrument，DESI）計畫由美國能源部勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）主導，儀器安裝於美國亞利桑那州基特峰國家天文台（Kitt Peak National Observatory）的梅奧爾4公尺望遠鏡（Mayall Telescope）。DESI配備能同時觀測5,000個天體光譜的先進儀器，目標是在五年內測量約5,000萬個星系與類星體，目前進入第四年。

團隊近日公布前三年初步觀測成果，繪製出迄今最精確、規模最大的宇宙3D地圖，涵蓋近1,500萬個星系與類星體的空間分布，清楚描繪出由重力主導形成的宇宙大尺度結構。這些資料不僅拓展了我們對宇宙結構的理解，也為研究宇宙膨脹歷程提供了關鍵依據。

▲ DESI第三年觀測兩個主要區域，分布於銀河系平面上下方，形似兩把「扇形」結構。這是目前為止最大宇宙3D地圖觀測計畫，為研究暗能量。地球位於兩個扇形中心，顏色越藍表示天體越遠。（Source：NOIRLab）

其中，研究團隊追蹤了宇宙的「重子聲波震盪」（Baryon Acoustic Oscillations）尺度變化。這種規律性結構源自宇宙早期物質在重力與輻射壓力交互作用下的密度波動，至今仍保留在星系的分布中，可作為標準宇宙尺，用以測量不同時期宇宙的膨脹速率。就這項測量而言，DESI的精確度為目前全球之最。

根據DESI本身的資料分析，初步結果與標準宇宙模型ΛCDM基本一致。然而，當研究團隊將這些觀測結果進一步與宇宙微波背景輻射、超新星與弱重力透鏡等其他觀測資料結合時，發現暗能量的影響力可能隨時間減弱，顯示宇宙學常數可能並非真正的「常數」。目前的統計偏離程度為2.8至4.2個標準差，雖尚未達到物理學界公認的 5 個標準差門檻，但足以引起學術界的高度關注與討論。

為降低分析過程中可能出現的無意識偏差（unconscious bias），研究團隊採用盲測技術，在分析流程結束前不揭示關鍵結果，直到最後才解鎖。為未來處理大型光譜觀測資料建立了新的分析流程。此外，DESI 也正式釋出了第一批資料（DR1），涵蓋超過1,870萬個天體，包括1,310萬個星系、1,600萬個類星體與400萬顆恆星。這批資料已全面開放，供全球研究與教學使用，進一步推動對宇宙結構與暗能量性質的理解。

▲ 帶領觀眾探索DESI第三年資料地圖。這是迄今最大宇宙3D地圖，為研究暗能量。影片從地球出發，逐步向外延伸至越來越遠的天體。

暗能量調查：觀測資料支持暗能量可能隨時間變化

與此同時，另一項國際合作計畫「暗能量調查」（Dark Energy Survey, DES）也公布了其最終資料的分析成果。該計畫由美國能源部費米國立加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory）領導，使用安裝於智利托洛洛山美洲際天文臺（Cerro Tololo Inter-American Observatory）布蘭科4公尺望遠鏡（Víctor M. Blanco Telescope）的「暗能量相機」（Dark Energy Camera, DECam）進行六年、共758晚的觀測，涵蓋了近全天空八分之一的區域。

▲ 智利托洛洛山美洲際天文台（Cerro Tololo Inter-American Observatory）的布蘭科4公尺望遠鏡（Víctor M. Blanco Telescope），有5.7億畫素「暗能量相機」，可調查暗能量（DES）。（Source：NOIRLab）

DES結合了超新星測量、星系聚集分析與弱重力透鏡等多種觀測手段，並著重分析兩項關鍵的宇宙膨脹追蹤指標：重子聲波震盪與Ia型超新星。其中，重子聲波震盪分析顯示，從1,600萬個星系測得的尺度比ΛCDM模型預測值小約4%；而Ia型超新星資料則不僅有極為精確的距離測量，也在2024年的分析單獨呈現與標準模型預測略有偏離的結果。這些來自兩項獨立指標的偏差在交叉比對後得以相互驗證，提升可信度。

進一步將上述觀測資料與宇宙微波背景數據整合後，研究團隊推導出暗能量可能並非恆定，而是隨時間演化的動態現象。DES的最終分析預計將於今年稍晚完成，屆時將納入更多宇宙學觀測指標進行交叉驗證。若這一結果獲得確認，將可能改變我們長期以來對宇宙學常數的理解。