宇宙有一个黑暗的一面——它充满了暗物质和暗能量。暗物质是弥漫在星系周围的看不见的质量，物理学家们曾用巨大的冰桶、粒子对撞机和其他精密技术来搜寻它。但暗能量这个更奇特的“兄弟”又是什么呢？
暗能量是导致宇宙随着时间推移而加速膨胀的*某种东西*的术语。今天宇宙学家面临的巨大谜团是确定这个“某种东西”的身份。
“我们可以告诉你很多关于暗能量的性质以及它是如何运作的，”澳大利亚昆士兰大学教授、天体物理学家塔玛拉·戴维斯说。“然而，我们仍然不知道它是什么。这是个大问题。”
我们如何知道暗能量的存在？
天文学家早已知道宇宙在膨胀。在20世纪初， 埃德温·哈勃观测到了星系的运动，并提出了哈勃定律，该定律将星系的视速度与其到我们的距离联系起来。然而，在20世纪末，对遥远星系中超新星的新探测揭示了一个难题：宇宙的膨胀并非恒定不变，而是在加速。
“宇宙正在加速膨胀这一事实让我们都感到意外，”德克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家凯瑟琳·弗里斯说。与引力的吸引力不同，暗能量必须产生“某种排斥行为，使物体相互分离得越来越快，”弗里斯补充道。
自20世纪90年代以来，许多观测证实了宇宙正在加速膨胀。遥远星系中爆炸的恒星比在稳定膨胀的宇宙中应该出现的要暗淡。甚至连宇宙历史初期清晰可见的残余光——宇宙微波背景辐射——也显示了暗能量影响的痕迹。*为了解释观测到的宇宙，暗能量是我们宇宙学数学模型中必不可少的一个组成部分。
“暗能量”一词由天体物理学家迈克尔·特纳于1998年提出，以匹配暗物质的命名法。它也传达了宇宙加速膨胀是一个关键的、未解决的问题。当时许多科学家认为，阿尔伯特·爱因斯坦的宇宙学常数——他在广义相对论中为了使数学计算成立而加入的“调整因子”，也称为lambda——是暗能量的完美解释，因为它能很好地融入他们的模型中。
“我认为事情并没有那么简单，”现任加州大学洛杉矶分校客座教授的特纳说。他认为加速膨胀的宇宙是“最深刻的问题”和“所有科学中最伟大的谜团”。
为什么暗能量很重要？
耶鲁大学天体物理学家威尔·廷达尔表示，认为我们生活在一个只包含5%普通物质——你 ever 见过或触摸过的所有东西——加上27%暗物质和高达68%暗能量的宇宙中的Lambda-CDM模型，“是宇宙学目前的范式。”他补充说，它“相当雄心勃勃地试图包含（并解释）整个宇宙的历史”。但它仍然遗留了许多未解释的问题，包括暗能量的性质。“毕竟，我们怎么能对一个据称占我们所生活的宇宙68%的东西了解如此之少呢？”廷达尔问道。
暗能量也是决定我们宇宙最终命运的一个主要因素。宇宙会以大撕裂的方式被撕裂，一切都原子般地粉碎吗？还是会无声无息地结束？
这些情景取决于暗能量是否会随时间变化。如果暗能量只是宇宙学常数，没有任何变化，我们的宇宙将永远膨胀下去，变成一个非常孤寂的地方；在这种情景下，我们无法看到我们本地星系团之外的所有恒星，它们会变得太红以至于无法探测。
如果暗能量变得更强，它可能会导致被称为大撕裂的事件。也许暗能量会减弱，而我们的宇宙会坍缩回去，以一个新的大爆炸开始新的循环。物理学家们在更好地掌握暗能量的本质之前，不会知道哪种情景将在前方等待。
暗能量到底可能是什么？
暗能量在宇宙的数学方程中以爱因斯坦的宇宙学常数的形式出现，但这并没有解释导致宇宙膨胀加速的物理原因。一种主要的理论是量子力学中一个奇特的现象，称为真空能。这是当粒子对及其反粒子迅速地出现又消失时产生的，这种情况几乎无处不在，随时都在发生。
这听起来像是对暗能量的一个绝佳解释。但有一个大问题：科学家测量的真空能值与他们从理论中预测的值之间存在巨大且无法解释的差异。这就是所谓的宇宙学常数问题。换句话说，粒子物理学家的模型预测，我们所认为的“虚无”应该具有某种重量，特纳说。但测量发现它几乎没有重量，甚至完全没有。“也许虚无就是没有重量，”他说。
多年来，宇宙学家提出了其他关于暗能量的解释。其中一种是弦理论，它声称宇宙由微小的弦状粒子组成，而我们看到的暗能量值只是众多不同多重宇宙中的一种可能性。许多物理学家认为这种逻辑非常以人类为中心——我们无法存在于具有其他宇宙学常数值的宇宙中，所以我们最终来到了这个宇宙，即使它与其他宇宙相比是个例外。
其他物理学家曾考虑彻底修改爱因斯坦的广义相对论方程，但其中大多数尝试都被LIGO对引力波的首批观测测量所排除。“简而言之，我们需要一个绝妙的新想法，”弗里斯说。
科学家们可能如何解决这个谜团？
对宇宙的新观测可能有助于天体物理学家更详细地测量暗能量的性质。例如，天文学家已经知道宇宙正在加速膨胀——但这种加速一直都一样吗？如果这个问题的答案是否定的，那么就意味着暗能量并非恒定不变，物理学理论家的生活将为之颠覆，他们将争相寻找新的解释。
一项名为暗能量光谱仪（DESI）的项目已经在亚利桑那州的基特峰天文台进行中。该项目通过宇宙制图来寻找宇宙加速变化迹象。“这就像在宇宙中铺上格网纸，测量它如何随着时间膨胀和加速，”戴维斯说。
还有更多即将进行的实验，例如将于今年夏天发射的欧洲欧几里得任务。欧几里得将绘制远达100亿光年之外的星系图——回溯100亿年前的时间。正如其任务网站所述，这是“暗能量在加速宇宙膨胀中发挥重要作用的整个时期”。射电望远镜，如CHIME，将以一种略有不同的方式绘制宇宙图，追踪氢是如何在太空中扩散的。
然而，新的观测并不能解决所有问题。“即使我们将暗能量的性质测量到无限精确，它也不能告诉我们它是什么，”戴维斯补充道。“真正需要的是理论上的突破。”天文学家有新实验的时间表，这些实验将不断推进，记录越来越好的测量结果。但理论突破是不可预测的——可能需要一年、十年，甚至一百多年。“在科学中，真正意义上的谜题很少。一个真正的谜题意味着你并不知道答案，”特纳说。“我认为暗能量就是其中之一。”
