最新数据：暗能量确实正在减弱！ΛCDM模型已死？（文字版）

Linvo说宇宙

2025-04-12 19:08发布于天津科普领域创作者

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宇宙学要出大事了！还记得去年（2024年）暗能量可能正在减弱那事吗？现在几乎要实锤了。就在上个月（2025年3月），暗能量光谱仪（DESI）团队公布了他们最新的观测结果，通过对1870万个天体进行光谱分析，这次他们将结果的置信度直接干到了4.2σ，虽然仍没到5σ的黄金标准，但在天文学上这已经很有说服力了。随着越来越多的证据出现，目前的ΛCDM模型已经岌岌可危，难道说如今的宇宙学标准模型真的要被改写了吗？

自打20世纪末人们发现宇宙正在加速膨胀后，科学家们提出了暗能量模型。虽然我们不知道宇宙为什么会加速膨胀，但是如果在模型中引入暗能量，它确实可以很好地解释我们观察到的现象。不过虽然这个模型很成功，但由于我们的观测限制，它还是留下了许多细节问题，比如暗能量的具体分布是怎么样、它的密度会不会随时间变化等等。

对于这些细节，在没有足够的证据之前，人们通常会基于“均匀且各向同性”这个“宇宙学第一原理”来假设，就是先假定暗能量是均匀分布恒定不变。基于宇宙学常数（Λ）的“ΛCDM模型（Lambda Cold Dark Matter model）”便是在该假设基础上建立起来的，它是目前最简单最主流的模型，因此也被称为宇宙学标准模型。正常情况下，随着空间的膨胀，宇宙中物质和能量的密度应该减小。但暗能量不同，在该模型中，有多少空间就有多少暗能量，它的密度始终不变。

然而，近些年来，越来越多的证据表明，暗能量密度并非恒定不变，而是会随时间与空间发生变化。这类允许暗能量密度动态变化的模型，被称作 “动力学暗能量模型（Dynamical dark energy model）” 。

“暗能量到底会不会变化？”“宇宙究竟符合哪个模型？”搞清楚这些问题是暗能量光谱仪的首要科学目标。

暗能量光谱仪是一种针对遥远星系光谱进行测量的设备。不同于欧几里德（Euclid）那种侧重于拍摄星系形态的望远镜，暗能量光谱仪主要是针对星系的光谱进行分析，可以说是目前最先进的光谱巡天项目。光谱的好处是可以通过红移来计算每个天体与我们的距离，同时也能进一步推算出天体之间的距离，非常适合研究宇宙膨胀。所以，为了实现这一目标，暗能量光谱仪团队计划在5年内测量大约3000万~4000万个星系的光谱，最终绘制出一幅超过200亿光年的星系地图。

2025年3月19日，暗能量光谱仪团队发布了一系列论文，这些论文基于了前三年的观测数据 (DR2)，对暗能量模型进行了精确约束。他们是怎么做的呢？简单来说就是通过测量宇宙不同时期重子声学振荡（BAO）结构的大小来推算宇宙的膨胀速率。

关于什么是重子声学振荡，之前我们专门做过一期。简单说，它是宇宙形成之初，重子物质（比如质子、中子等）它们在光子辐射压的推动下形成的泡状结构。后来，重子物质形成了一个个星系，这些泡状结构便烙印在了这些星系的分布上。由于这些“气泡”诞生于宇宙的极早期，所以随着空间的膨胀，这些泡状结构会变得越来越大。因此，我们只要能测量出不同时期“气泡”的大小，便能计算出宇宙在不同时期的膨胀速率。当然，具体计算还会结合一些超新星以及宇宙微波背景辐射的数据。

去年（2024年），第一批数据的结果首次表现出了暗能量有减弱迹象，但当时不少人怀疑可能是数据误差的原因。这次，当第二批数据出来后，结果再一次证实了该发现。

假如暗能量真的越来越弱，那这意味着今天的很多宇宙学结论都要跟着修改，比如像什么可观测宇宙的大小、宇宙的年龄甚至是宇宙的命运。毕竟，先前我们认为宇宙的膨胀是越来越快，宇宙各个星系之间早晚会因为相互超光速远离而成为孤岛，但是现在来看，随着暗能量越来越弱，宇宙加速膨胀的势头应该会减慢，甚至于停止。

从数据量来说，这次的数据规模之大前所未有，数据量是之前类似项目（比如SDSS）的10倍以上，红移覆盖范围达到了4.2（也就是涵盖了大约200亿光年的范围），可以说是迄今为止最大、最精确的重子声学振荡数据集。基于这份数据研究团队发现，相较于传统的ΛCDM模型，有一个暗能量模型貌似提供了更好的描述，它就是“w₀wₐCDM模型”。

稍微解释下这个模型。在宇宙学中，物质密度（ρ）随宇宙尺度（a）的变化可以通过状态方程w来描述（模型名字里那两个“w”指的就是它）。

在传统的ΛCDM模型中，暗能量的w值始终等于-1，也就是密度永远是固定的。但是在这个模型中，暗能量的密度是随时间变化的，也就是w会随宇宙尺度因子（a）变化，对应了下面这个式子：

这里“w0”代表当前宇宙的暗能量；“wa”是基于宇宙尺度因子（也就是宇宙不同时期）的暗能量。如果套用该模型，传统ΛCDM模型的w0=-1，wa=0（因为它不随时间变化嘛，相当于没有第二项），它对应的这个图中两条虚线交叉的位置。

然而在新模型中，不管新数据和哪种数据集组合，它们的结果都偏离了传统模型的预测。它预示着当前宇宙的暗能量w值是大于-1的（w0 > -1），而wa值小于0（wa < 0），这意味着暗能量的密度确实正在随着宇宙的膨胀而变小，也就是暗能量正在减弱。该结果的统计置信度普遍高于3σ，最高甚至达到了4.2σ。

尽管新模型在解释观测数据方面展现出了一定优势，但它目前也存在一些潜在的问题。比如它仍然没有解决“哈勃冲突”问题，就是通过哈勃、JWST测得的哈勃常数和基于CMB测出来的结果总是存在偏差；还有它在某些情况下会表现出“幻能量（phantom）”行为（w<-1），也就是之前我们讲“大撕裂”时候提到的那种“超级暗能量”——暗能量密度随时间指数级增大，该行为对我们的宇宙来说不太合理；此外还有它的这种参数化形式，感觉只是为了拟合观测数据而用的一种灵活的参数化方式，缺少对应的基础物理模型，这就使得该模型的物理意义不够明确，等等之类问题。

这些问题说大不大，说小不小，总的来说，目前的标准模型（ΛCDM模型）有问题这是没跑的，毕竟当初引入宇宙学常数（Λ）这事本就突兀，属于是无奈之举。尽管它在过去一段时间内，在解释宇宙的大尺度结构和演化方面发挥了重要作用，但是随着后来观测数据的不断丰富和精确，它的局限性也日益凸显。然而新模型（w0waCDM模型）作为一种对暗能量描述的替代方案，虽然在观测数据拟合时展现出了一定的优势，但就目前而言，断言它能取代ΛCDM模型成为新的宇宙学标准模型，那还为时尚早。但不管怎样，暗能量光谱仪的这批新的观测数据无疑是有价值的，毕竟它为今后模型的修正工作提供了关键的线索和方向，有助于不断优化和完善我们的宇宙学模型。

[1] DESI Collaboration. Extended Dark Energy analysis using DESI DR2 BAO measurements. arXiv preprint arXiv:2503.14743. (2025)

[2] DESI Collaboration. DESI DR2 Results I: Baryon Acoustic Oscillations from the Lyman Alpha Forest. arXiv preprint arXiv:2503.14739. (2025)

[3] DESI Collaboration. DESI DR2 Results II: Measurements of Baryon Acoustic Oscillations and Cosmological Constraints. arXiv preprint arXiv:2503.14738. (2025)

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