你是否好奇浩瀚宇宙的最终命运会如何？自大爆炸以来，宇宙一直在膨胀，但到底是什么在驱动它呢？ 20世纪末，天文学家惊讶地发现，宇宙的膨胀并没有像预期的那样减慢，而是在加速！这种加速扩张背后的推动力就是神秘的“暗能量”……
01 寻找天空主宰
如何测量天体的距离？必须用量尺一一测量。我们可以使用三角测量轻松计算到某些恒星的距离。 300光年之内，可以用三角学。这是我们拥有的第一根宇宙量尺。
然而，对于更遥远的天体来说却并非如此。如果我们要测量银河系的大小，仅仅300光年是不够的。在测量到银河系邻居仙女座星系的距离时，哈勃望远镜的威力就更小了。我们需要一把更长的尺子。
哈勃太空望远镜拍摄的仙女座星系马赛克图像。尽管它很大，但它甚至没有覆盖银河系的一半。
您可能还记得我们之前已经介绍过这一点，但哈勃使用的是造父变星。他在仙女座星系中发现了造父变星。这个天体的亮度由亮到暗，再由暗到亮，就像手机的呼吸灯一样。周期长度和绝对亮度相关。然后知道调光周期就可以计算出绝对亮度。这是第二个统治者。当然，第二把尺子必须用第一把尺子校准。哈勃利用造父变星测量了大大小小的星系的距离，从而发现遥远的星系正在远离我们。
造父变星的周期性
今天的太空望远镜已经可以拍摄非常遥远的物体。感光装置连续曝光数十天，拍摄出针孔大小的区域的照片。照片中的每个光点都是一个星系团。即使在星系团层面，它的大小也只有几个像素，我们无论如何也无法将造父变星与它们区分开来。第二把尺子也失败了。
为了能够测量距地球数十亿甚至数百亿光年的星系的距离，我们必须找到新的天空标尺。之前我们也介绍过这个天空统治者，它就是Ia型超新星。
02 令人震惊的发现
超新星是很好的量尺，但它们也需要精确的校准。利用爆炸的余辉，可以更准确地调整这把尺子。当来自遥远天体的光行进数千英里到达我们地球时，不可避免地会遇到气体云、尘埃等，而这些雾霾造成的亮度误差必须进行校正。这些气体云和尘埃吸收更多的蓝光，因此您可以根据红光与蓝光的比率来判断衰减了多少。
上图：白矮星的质量增加；下图：超出质量限制，形成 Ia 型超新星。
经过天文学家的不断努力，这把尺子已经被校准。自20世纪90年代以来，两个独立的研究小组使用了世界上最先进的设备来寻找超新星。其中一位科学家是我们前面提到的亚当·里斯（Adam Reese）。另外两人是索尔·珀尔穆特 (Saul Perlmutter) 和布莱恩·P·施密特 (Brian P. Schmidt)，他们后来共同获得了 2011 年诺贝尔物理学奖。他们带领团队连续几年坚持观测高红移Ia型超新星，系统研究了宇宙的膨胀。他们最初的目标是计算宇宙膨胀的减慢速度。
2011年诺贝尔物理学奖获得者
宇宙膨胀的放缓是科学家所预料的，也是非常合乎逻辑的。因为，大爆炸之后，宇宙的膨胀速度会因为引力的影响而减慢，就像炮弹射向天空一样。当它离开桶时速度最快，然后开始减慢。当到达最高点时，速度为0，开始下降过程。
当然，如果炮弹速度足够快，就可以避免坠落，成为一颗卫星。如果速度再快一点，它就能飞出地球引力范围，并且再也不会回头。所以过去物理学家一直认为大爆炸类似于炮弹的发射，宇宙中的所有物质都会产生引力。如果有足够的物质并且引力足够强，我们的宇宙最终将膨胀到顶峰并开始收缩，最终再次成为一个点。这个过程被称为“大挤压”。这样的宇宙虽然极其浩瀚，但其体积终究是有限的，所以也被称为封闭宇宙。
只要炮弹速度足够快，就可以防止它坠落，成为一颗卫星
如果物质的数量适量，我们的宇宙将永远不会再收缩。膨胀率虽然在减少，但永远不会减少到0。就像人造卫星不会坠落到地球上一样。这是一个温柔的结局，一切都慢慢消失。
为了探索宇宙的未来，天文学家试图测量宇宙膨胀的精确速度，以确定它是如何减速的。几乎所有科学家都认为宇宙的膨胀应该是制动的。区别在于是轻轻制动还是突然制动。少数科学家认为它正在滑行。
20世纪90年代，两个独立团队几乎同时对宇宙最终命运问题发起冲击。其中一支团队由美国劳伦斯伯克利国家实验室的Perlmutter领衔，共有来自7个国家的31人。 ，阵容强大；另一个团队由哈佛大学的布莱恩·施密特和亚当·里斯领衔，也是由来自世界各地的20多名天文学家组成的豪华团队。
珀尔穆特（最左）与超新星宇宙学项目团队成员合影
最终，两队发现了一个令人惊讶的现象。宇宙在前70亿年确实在减速，但在70亿年前的某个时刻，减速膨胀逆转为加速膨胀。就像开车一样，先踩刹车，再踩油门。这件事远远超出了科学家们的预料。如果爱因斯坦或者伽莫夫听说了这件事，估计会吐出一口老血。
03 宇宙膨胀是否在加速？
这种宇宙加速膨胀的观点足以让全世界震惊。为了使这种令人惊讶的观点站得住脚，它必须经受住比其他科学观点更严格的挑战。
因此，尽管两个团队公开了所有的观测数据和他们的研究方法，但仍然没有足够的证据让全世界的科学家接受。此后，世界各地的天文学家进行了大量的独立观测和验证，包括COBE、WMAP和普朗克卫星，都不同程度地验证了这一结论。时至今日，宇宙加速膨胀已成为经受严格检验并被科学界所接受的事实。
宇宙背景探测器 (COBE)
2011年，珀尔穆特、施密特和亚当·里斯荣获诺贝尔物理学奖。这一次，诺贝尔奖的反应相对较快。没等这些七十多岁的老人给他们颁奖。珀尔马特是年龄最大的，当时只有 52 岁。前后都已经获奖了，心软了。
从诺贝尔奖的反应速度，每个人也可以衡量自己成就的重要性。这个发现确实令人惊讶。那么，接下来，一个重要的问题自然会出现：谁在踩油门？这一切该如何解释呢？
宇宙的膨胀正在加速
按照过去的理论，这是不可能的。我们曾经认为宇宙的膨胀应该正在减慢。现在发现宇宙正在加速膨胀，就像踩了加速器一样。谁在踩油门？这是一个大问题。
为了解决这个问题，1998年，迈克尔·特纳引入了一个新术语“暗能量”。
这个名字是我们聊到的时候才出现的，而且确实有点长。但说到暗能量，我们只能从大爆炸的发现开始，否则没有基础的人根本无法理解。因此，暗能量实际上仍然是一个假设的概念。
04 什么是暗能量假说？
对暗能量的研究必须从宇宙诞生的那一刻开始。大约138亿年前（当然，正如我之前所说，这个数字可能是错误的，但这仍然是目前最被接受的数字，所以我们这么说），宇宙从奇点诞生。爆炸发生的那一刻，物理定律开始生效。那一刻，一切都处于极高的温度状态。随着宇宙膨胀，温度开始下降。
到大约10次-11次方秒时，粒子的温度已经下降到我们目前的高能物理理论可以掌握的阶段。然后我们就可以计算出当时到底发生了什么。那时，夸克和胶子开始结合成质子和中子。在-6秒的10次方时，宇宙产生了大量的质子和反质子对，以及中子和反中子对。但数字不匹配。正粒子只比反粒子多一点点。然后它们相互抵消并相互湮灭，留下了今天剩余的十亿分之一的中子和质子。在大爆炸后大约1秒的时间里，电子和正电子也遇到了类似的情况，而且还多了几个电子。我们所看到的宇宙中的恒星就是由这些残留的正物质组成的。
大爆炸后大约三分钟，宇宙汤的温度低到足以形成原子核。直到大爆炸后三十八万年，宇宙的阴霾才逐渐散去，变得透明。只有光子才能不受限制地在宇宙中自由穿行。这是大爆炸后发出的第一道光。这些光子已被我们人类检测到。这就是“宇宙微波背景辐射”，它可以告诉我们有关早期宇宙和宇宙中物质含量的信息。
WMAP 生成的全天空图像显示宇宙背景辐射
因为这些光子在落入我们的探测器之前几乎穿越了整个宇宙，所以它们沿途受到的引力畸变、它们穿过的气体以及它们遇到的尘埃都会在微波背景辐射中留下痕迹。
该图揭示了自宇宙诞生以来膨胀率如何变化
根据普朗克卫星的最新数据，我们目前对宇宙的基本认识是暗能量占总质量能量的68.3%，暗物质占26.8%，普通物质仅占4.9%。
