“暗能量”可能并不是一个常数

三联生活周刊：你能否先介绍一下，物理学、天体物理学和宇宙学这三个学科有怎样的关系？

邹虎：可以说这三个学科是密不可分的。物理学本身是寻求对万事万物的解释，涉及从微观到宏观的所有层面。天体物理学更多的是关注地球之外的大尺度的物理学，利用物理学知识去解释宇宙，从这个层面上来说也算是物理学的一个分支。

人类对宇宙的理解会推动物理学的发展。比如爱因斯坦的理论是在牛顿力学之后发展起来的，在有了相对论之后，人类就可以理解牛顿力学没法解释的现象。

对宇宙的研究有宏观角度，也关注微观层面。比如研究宇宙中最基本的物质组成是什么。宇宙大爆炸最初形成的物质就是氢和氦。我们还要理解太阳的物质组成，理解银河系里的恒星是怎么发光发热的。在一些恒星死亡之后会发生爆炸，形成比铁更重的元素。这些又涉及核物理学。

而宇宙学不仅涉及物理学，也涉及数学。它又是以观测为基础，通过观测去拓展理论，或者通过理论去解释观测结果。宇宙学也离不开计算机科学，其中涉及大量的数据处理和数据模拟。如果要探测地外生命，又涉及化学和生物学。所以说宇宙学是一门交叉学科。三联生活周刊：可不可以认为埃德温·哈勃通过观测发现宇宙在膨胀这个事件标志着现代宇宙学的诞生？中国的宇宙学研究又是开始于什么时期？

邹虎：现代宇宙学的建立是一个渐进的过程，涉及很多位科学家的贡献，但可以认为哈勃的发现是一个关键的转折点。人类最初认为地球是宇宙的中心，之后慢慢有了太阳系的概念，认为太阳系就是宇宙的全部，后来又认识到在太阳系之外还有别的恒星，有银河系的存在。在20世纪初期，人们通过一定的观测手段发现了一些天体，它们距离地球很远，不可能属于银河系。所以在当时关于这些天体的本质产生了很多争论，有人怀疑在银河系之外是不是还有所谓“岛宇宙”存在。后来哈勃通过观测发现了所谓的“哈勃定律”，也就是所有天体都在远离地球。人们才有了关于宇宙的观念，从那时建立起了真正的现代宇宙观。

中国的陈建生院士是很早开展河外天体研究的科学家，也曾经是国内最早研究宇宙中最遥远天体（类星体）的天文学家之一。陈院士很早就提出过类似于“巡天”的想法，这在当时是非常新潮的；也曾提出建设世界上最大口径的施密特望远镜，但是最终因国际局势的影响没能实现。

国内早期的天文学家最初主要聚焦在银河系内部的恒星，有了更新的技术手段之后，慢慢也开始关注河外天体。后来逐渐不满足于观测一两个天体，就开始做扫描式的观测。后来陈院士利用国家天文台的一台近乎闲置的60/90cm施密特望远镜，发展了一套新型测光系统，开展了国内最早的大视场巡天，培养了一大批光学天文实测人才。

目前我们的观测设备还比不上国外先进水平，但是从科研的能力和思想方面来说，我觉得一点都不落后。所以这些年国内有很多重大的宇宙学研究成果出现，我觉得是得益于我们从过去到现在科研人员的积累和开放的国际合作。未来建设我们国内自己的大口径巡天望远镜设施，必然会使我国引领国际河外天文和宇宙学的发展。三联生活周刊：能否介绍一下DESI合作项目？

邹虎：这个项目的起源可以追溯到“斯隆数字化巡天”（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）项目。这就又涉及人类探测暗能量的历史。我们说“DESI”是第四代或者第四阶段的暗能量探测实验，这说明在它前面有三个阶段：第一阶段是暗能量的发现，就是在20世纪末，科学家利用在几十亿光年之内的超新星做“标准烛光”，发现了宇宙的膨胀速度是在加速的。这就是暗能量的发现，因为只有暗能量才能够完美解释宇宙加速膨胀的过程。

第二阶段是通过多种手段去证实暗能量的存在。不光是利用超新星，还有通过对星系团和宇宙微波背景辐射的观测，通过多种示踪物交叉验证暗能量。之后的第三阶段就到斯隆数字化巡天了。那时学术界已经建立了很好的理论基础，也积累了包括通过重子声波振荡（baryon acoustic oscillations，BAO）和红移空间畸变（redshift-space distortions）这些技术手段来研究暗能量。

进行斯隆数字化巡天，需要先对宇宙的某个区域进行成像，选出研究目标之后再去拍摄光谱。通过这样的手段对星系进行观测可以推算到宇宙只有现在年龄一半时的阶段。通过类星体还可以观测得更远，可以追溯到大约100亿年之前，但这类天体很稀疏，数量有限。所以从这个阶段开始，科学家通过大规模的对外星系的观测来构建三维的宇宙物质分布地图，利用重子声波振荡和红移空间畸变这两个技术手段来研究暗能量。

这个阶段也被称为所谓的“精确宇宙学”阶段，因为可以把宇宙学测量的参数精度确定到百分之几以内。进行斯隆数字化巡天使用的望远镜是一个2.5米口径的望远镜，它收集光的能力毕竟有限，只能做到这个程度。

人们在进行斯隆数字化巡天的时候就已经在规划下一个项目，要利用重子声波振荡手段来探测暗能量，但是精度要更高，距离也要更远——这就需要观测的星系足够的密、足够的多。要进入到更深、更暗的宇宙，看到的星系会越来越多，也就需要有更大的望远镜。所以第四代探测项目是在2012年开始规划，2016年由美国能源部立项，开始改造一个四米口径的望远镜。相比于之前2.5米口径的望远镜，新望远镜的探测能力要强很多。这个项目在2019年开始“出光”，相当于有第一个设备被装在了望远镜上，拍摄了第一条光谱图像，之后从2021年开始正式观测，一直到今天。

三联生活周刊：DESI项目从立项到正式观测之前都要做哪些工作？

邹虎：要拍摄光谱首先要有星系成像。用多个波段的大靶面相机去拍摄图像，之后再通过图像去确定探测目标。之前已有的数据不足以被用于更深空的观测，那么新的数据从哪儿来？于是当时DESI项目计划用五到六年的时间完成将近1.4万平方度的拍摄。整个天球的面积大约是4.1万平方度，也就是说要完成超过全天三分之一面积的观测，而且要在三个波段进行观测，这个任务是很重的。

DESI项目在全球范围内招募进行星系成像的团队。我们（中国科学院国家天文台研究团队）因为之前有过河外巡天的经验，所以加入了DESI项目。还有另外两个美国的团队，一个来自劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），一个来自美国国家光学天文台（National Optical Astronomy Observatory）。总共三个团队，要在2019年之前完成1.4万平方度的三个波段的宇宙成像巡天。

三联生活周刊：所以说你们的研究团队在初期就加入了DESI项目。

邹虎：是的。我们之所以能做这个工作，是因为在这之前做了一个叫作“南银冠u波段巡天（SCUSS）”的项目——在紫外波段进行巡天，有了技术积累。但当时我们在国内找不到合适的大视场望远镜，就去国际上找有没有合适的望远镜。之前我们和美国亚利桑那大学有过密切的合作。他们正好有一个名为“Bok”的2.3米口径的望远镜，当时基本上处于闲置状态，他们也希望可以有人去使用这个望远镜。我们双方一拍即合。我们给这架望远镜升级了一个对紫外波段敏感的相机，之后从2009年到2013年，我们花了四年多的时间，拍摄了5000多平方度的天空。

我们团队有10多个人。不过后来不仅是我们团队，还有其他团队，包括大学里的一些学生，都利用这个望远镜进行过观测，总共加起来有七八十人。这对他们来说也是一个非常好的训练。我们在2014年公开了这些观测数据。后来斯隆数字化巡天项目也使用了我们的数据。

有了这样的积累，从2015年秋天开始，一直到2019年3月份，我们三个团队花了五年多的时间观测了超过1.4万平方度的天空。我们的数据总共加起来，有整个天球将近一半的面积。之后中美双方联合发布了一个宇宙二维地图。发布这个地图的一个目的就是为DESI项目选取进行光谱观测的目标。我们的观测数据是完全公开的。因为观测质量非常高，在四年多的时间里，引用我们的观测数据的学术论文已经有1400多篇了。

DESI项目因为新冠疫情被耽搁了一段时间，从2020年11月份重新试运行，花了大约六个月的时间进行调试。2021年5月13号这天，DESI宣布开始正式巡天。那天我正好在参加DESI的远程观测。之后我们还开了一个线上的庆功会。到了2023年，我又报名到美国进行了一次现场观测，算是故地重游。

DESI项目总共有70多家机构，将近900位科研人员参与。纯光谱观测现在进行了差不多800个晚上。前段时间我刚刚统计过，我们团队总共花了71个晚上进行纯光谱观测，所以说我们的贡献大概占到了1/13。

三联生活周刊：你提到了DESI项目算是第四代暗能量探测项目。人类为什么花了20多年时间，直到第四代观测才发现暗能量有可能是在逐渐变小的？

邹虎：我刚才提到，第一代观测发现了暗能量；第二代是多方验证暗能量；到了第三代，对暗能量的观测可以达到百分之几的精度，它的误差还是在标准宇宙模型描述的误差之内的，也就是说并没有偏离这个模型。到了第四代，它的观测误差范围已经可以精确到1%以内。到了这个精度，我们才可以发现它明显偏离了标准宇宙模型，也可以看出暗能量并不是一个常数。

我们之所以能够做到现在这个程度，就是因为现在观测天体的数量更大了。之前观测的星系数量是几百万的量级。DESI的观测还没有完成，它观测的星系已经达到了几千万个。它之前发布的第一版本数据已经包含1000多万个星系，还有3000多万个星系的观测数据没有发布。就是因为有了观测数据量级的突破，才可以把各种误差降下来，描述宇宙暗能量的参数也就更准，才可以发现它确实偏离了标准的宇宙学模型。

现在已经在规划DESI项目第二期。目前计划还是用同样的望远镜，但是观测天体的红移会更高，距离也会更远一些。将来第五阶段暗能量探测就是要往更远的宇宙走，回溯到更早期的宇宙阶段。

宇宙在只有现在一半以上年龄的阶段是由暗能量主导的，在更早期还是由物质，也就是暗物质主导的。在那个时候暗能量的性质和现在暗能量的性质是不是一样？要回答这个问题就需要更大的望远镜、更好的设备去观测。

关于这方面的工作，国外在做，国内也在推动。我们国内在青海冷湖、新疆慕士塔格、西藏阿里地区等海拔高、地广人稀的区域都有很好的观测点。在光谱巡天这方面我们是有可能“弯道超车”，赶超国际先进水平的。三联生活周刊：埃德温·哈勃是利用造父变星作为“标准烛光”发现了宇宙膨胀，在20世纪末几组科学家主要是将Ia型超新星作为“标准烛光”发现了暗能量。那么DESI项目是通过什么来测算距离的？

邹虎：DESI项目主要不是通过标准烛光，而是用所谓的“标准尺”，也就是刚才提到的“重子声波振荡”。简单来说，在宇宙的早期温度很高，物质处于等离子态，也就是说光子和普通物质是混合在一起的，无法分离出来。在那种状态下，如果产生一些密度的扰动，这种扰动就会在整个宇宙的等离子体中传播。它的传播方式和声波的方式类似，会在宇宙的大尺度上留下印记。当宇宙冷却到一定温度时，这种波动就停止了传播，形成一个固定的尺度，可以当作天文观测的“标准尺”。可以说这把尺子就“冻结”在那里，不随着宇宙膨胀而变化。通过观察宇宙不同时期这个标准尺所呈现的变化，研究推演暗能量的性质。

“标准烛光”只能在比较近的宇宙距离中起作用，而利用重子声波振荡的“标准尺”可以在更远的距离上起作用。通过它，我们可以追溯到110亿年前的宇宙。所以说DESI项目探测的宇宙范围无论在时间还是在空间都要更广。我们再结合宇宙微波背景辐射等因素，从多个角度去联合限制暗能量探测的误差，最后可以发现，暗能量确实有可能是有变化的。

三联生活周刊：既然DESI项目最早可以追溯到110亿年前的宇宙，那么可不可以说暗能量从110亿年前开始就一直下降？

邹虎：我们刚才说暗能量可能呈现出逐渐减弱的趋势是在一定时间范围之内的，也就是从大约70亿年前开始，暗能量看起来似乎是在减弱。在这之前的观测数据还不够多，还不能排除之前它数值恒定的可能性。

很多人会问宇宙的未来会怎么样。如果宇宙在暗能量的推动下一直膨胀，永远膨胀下去，那么宇宙最后就会慢慢地消亡了。也有一种可能是暗能量慢慢地减弱，那么宇宙在引力的作用下又会发生收缩，最后又回到一个点上，然后再发生大爆炸。起码根据我们目前对暗能量的研究还不能给出一个明确的结论。

三联生活周刊：DESI项目已经几次公布了观测数据，从数据来看暗能量可能是在减弱。这个消息一旦被正式公布，将是一个重大的宇宙学发现。那么你认为这个发现什么时候才会作为一个科学发现被证实发布？

邹虎：暗能量正在减弱这个发现目前已经达到了4点几个σ的置信度。学界有个不成文的标准，要成为一个科学发现，需要达到5σ的“黄金点”。我相信DESI项目的观测数据是有希望达到这个标准的。我也认为要确认这么重大的发现，需要不止一种观测手段的证实，可能需要多层确认。比如当年发现暗能量就是通过多种手段确认的。从数据分析的趋势来看，DESI项目去年公布数据的置信度达到了3点几个σ，今年前三个月的数据置信度达到了4点几个σ。那么到这个五年巡天观测项目结束前，应该能达到5σ的标准。

注：“σ”指标准差（standard deviation）。在物理学领域，新发现成立的阈值一般在五个标准差，或称“5σ”。这个数值越高，就说明发现的证据越坚实。五个标准差表示新发现的置信度可以达到99.99994%。

三联生活周刊：如果暗能量逐渐减弱最终被正式确认为一个科学发现，这个发现能否帮助我们理解暗能量的本质？

邹虎：这个问题现在还很难回答。因为现在我们对于暗能量的本质还一无所知，对于暗能量的观测都是间接的，还没有任何直接的手段可以去测量暗能量，只能间接去测量它对宇宙物质的分布有什么影响，对宇宙膨胀有什么影响。通过各种观测手段，我们知道它具有一些性质。原来它可能不是恒定不变，而是有动力学演化的。但它究竟是什么东西我们仍然不了解，现在也没有什么手段能去直接测量它。

三联生活周刊：如果暗能量确实在随时间减弱，那么“ΛCDM”宇宙模型是不是也需要修改？

邹虎：对，如果是这样的话，宇宙模型就得修改。在前面的“Λ”就不再是一个常数了，而是变成一个随时间变化的参数。原来被认为是标准的东西现在不一定标准了。

就像牛顿理论一样。当年牛顿的理论被认为是标准，是经典理论。但是到了爱因斯坦的理论又是一个更加广义、更加包容的理论。所以当科学发展到一定程度，所有东西都需要向前发展，包括我们对于暗能量的认识也需要演化。将来暗能量这个概念也有可能被推翻。

科技在不断进步，咱们的宇宙观也在不断更新。在几百年前的时候人们还都相信日心说。那时候的宇宙观和我们现在的宇宙观差得有多远！所以做天文学研究很重要的一点就是去改变大家的宇宙观。

注：ΛCDM模型是目前被广泛接受的宇宙模型。其中Λ（Lambda）是宇宙学常数，代表推动宇宙加速膨胀的暗能量；CDM（Cold Dark Matter）指冷暗物质，即运动缓慢、质量大的不可见物质，是构建宇宙结构的“骨架”。此模型描述了一个主要由暗能量、冷暗物质和普通物质构成的加速膨胀宇宙。