随着暗能量调查(Dark Energy Survey,DES)发布最终结果,参与项目早期建设的两位物理学家在采访中回顾了这项历时十年的宇宙学观测计划所带来的关键认识,并谈及其方法与技术如何为NSF–DOE维拉·C·鲁宾天文台未来十年的“空间与时间遗产调查”(LSST)做准备。
DES联合创始人、美国能源部SLAC国家加速器实验室基础物理副实验室主任Josh Frieman表示,“暗能量”是用来解释宇宙膨胀为何呈现加速而非减速的现象名称。在仅有引力作用的情况下,物质相互吸引应使膨胀减缓;而观测所指向的加速膨胀意味着存在一种表现为“引力排斥效应”的成分。Frieman称,为解释这一现象,暗能量需占当今宇宙总质量—能量的约70%,其余约25%为暗物质、约5%为原子物质。
Frieman同时提到,关于暗能量的早期思路可追溯至爱因斯坦提出的“宇宙常数”项,即空间真空能量。在经典物理框架下真空能量应为零,但量子力学认为即便“空无一物”的空间也具有能量;当这种能量在宇宙中占主导时,其效应可表现为推动膨胀加速。
卡夫利粒子天体物理与宇宙学研究所所长Risa Wechsler补充说,观测显示宇宙加速膨胀大约在宇宙历史的中点开始,仅靠物质无法解释。她指出,宇宙从早期的平滑状态演化到今天包含星系、恒星与行星等团块结构的状态,膨胀历史与结构形成都取决于宇宙的成分。更精确地测量膨胀与结构增长这两类观测效应,被视为逼近暗能量本质的重要路径,也直接推动了DES及其他宇宙学巡天的开展。

谈及DES的起源,Frieman回顾称,暗能量的最初线索出现在1990年代初,并在1990年代末通过对几十颗遥远超新星的观测转化为证据,确认宇宙膨胀正在加速,这一发现后来获得诺贝尔奖。随后问题转向“暗能量是什么、如何测量其性质”。他表示,要同时把握膨胀历史与结构增长,需要对数亿个星系以及数千颗超新星开展大规模巡天。
Frieman介绍,2003年团队开始构思如何实施相关观测计划,其中一个动因是南极望远镜正在建设并计划绘制约十分之一天空、通过测量星系团来探测暗能量,因而需要同一区域的光学巡天配合。团队随后意识到,光学巡天除星系团外,还可用于超新星、结构增长、星系聚集与引力透镜等多种测量,DES由此成形。该项目方案是利用智利NSF塞罗托洛洛国际天文台的现有望远镜,快速建造当时规模最大的相机并进行多年观测,并推动美国国家科学基金会与能源部合作以落实项目。
关于SLAC在DES中的作用,Wechsler表示,她在2003年以芝加哥大学博士后身份加入项目时,团队规模约30人,随后合作逐步扩大。她于2006年调入SLAC后,实验室内多位具有粒子物理背景的研究人员转向鲁宾天文台等天体物理项目,并希望参与能较早产出数据的DES。她称,多年来DES成为SLAC的重要研究中心,历届学生与博士后持续贡献;不少如今参与鲁宾项目的早期研究人员曾在DES阶段积累经验,并将相关方法带入新一代巡天。
在DES的多项成果中,Frieman提到的一个早期亮点是团队在银河系附近发现16个矮星系。他表示,DES原本并非为矮星系搜寻而设计,但为研究暗能量而开展的观测恰好具备发现这些近邻天体的能力。Wechsler则指出,宇宙学模拟预期银河系周围存在大量这类模糊的小系统;而出乎预料的是,这些矮星系后来成为研究暗物质的有力探针,团队逐步学会利用它们检验暗物质物理中一些难以通过其他方式触及的性质。

在暗能量本身的约束方面,Frieman表示,DES近期结果带来一种“暗示”:暗能量可能并非宇宙常数或固定的真空能量,而可能随时间变化。他称,2024年初DES的超新星结果提供了暗能量可能非恒定的首个真实暗示,随后DESI调查对星系分布的新测量与之结合后,开始显示暗能量可能在演化的迹象。不过他强调,目前尚不能确定这是否构成发现,鲁宾天文台等后续项目将对相关结论作出检验。
Wechsler则表示,另一种表述是现有结果显示观测“非常接近宇宙常数模型”。她称,该模型已被充分测试,研究正处于观察其是否会被推翻的边缘;截至目前,尚不能说它已被推翻,仍需更多数据给出答案。
展望即将启动的鲁宾天文台LSST,Frieman将其形容为“加大版的DES”:覆盖更广天空、观测更深、更高频率,从而揭示更多瞬变现象,数据量也将显著增长。他表示,DES在数据分析技术方面的开发为鲁宾奠定了基础,鲁宾早期将采用多项经过DES验证的方法。由于LSST在时间域上将以高频率重复观测南天、形成“天空电影”,他预计将看到此前未被观测到的随时间演变的罕见现象,并可能在更大体量的样本中发现更多引力透镜超新星,为宇宙学提供新的路径。
Wechsler同样强调,DES帮助团队建立了现代宇宙学所需的工具体系以及整合不同测量方法的能力,且最终成果中的部分分析在项目初期并未预设,而是在长期推进中逐步形成。她指出,鲁宾在“静态”天空图方面与DES精神相近但规模更大更深,星系数量预计多一个数量级;而时间域观测则是全新的探索空间。她表示,LSST预计将发现更多微小星系、被吞并星系的残余,以及与暗物质、星系形成、恒星、黑洞乃至太阳系内天体相关的新现象。
