國家天文台研究團隊發現動力學暗能量證據

北京時間8月28日，國際頂級科學期刊《自然》天文專刊在線發表了中國科學院國家天文台的一項最新研究成果，並於9月5日在《自然天文》的「新聞與觀點」（News & Views）欄目發表國際知名學者撰寫的解讀文章。國家天文台趙公博研究員帶領的一支國際合作團隊通過對最新天文觀測數據的分析，發現了暗能量隨時間演化的證據（Zhao et al., 2017, Nature Astronomy, 1, 627）。此發現表明暗能量的本質有可能不是愛因斯坦百年前提出的「宇宙學常數」，這對暗能量的研究具有重大意義。

1998年國際上兩個研究小組利用對超新星的觀測，獨立發現了宇宙的加速膨脹現象（該發現被授予2011年諾貝爾物理學獎）。理論上，宇宙的加速膨脹可能是由約佔宇宙總能量密度70%，並具有負壓強的「暗能量」引起的。揭示暗能量的物理本質是現代科學中最重大的課題之一。

暗能量的物理性質體現在其「狀態方程」中，即暗能量的壓強與能量密度的比值。在傳統的真空能-冷暗物質（LCDM）宇宙學標準模型中，暗能量是愛因斯坦在1917年提出的「宇宙學常數」，即真空能，其狀態方程為值為-1的常數。在此模型中，暗能量不具有任何動力學性質。

2016年，趙公博研究員帶領國際大型星系巡天SDSS-III（BOSS）合作組，利用最新觀測數據和新方法，在宇宙演化的多個時期，以高精度測量得到了重子聲波振蕩（BAO）信號（Zhao et al., 2017, MNRAS, 466, 762）。基於此測量，趙公博領導的一個國際團隊利用其開發的暗能量重建方法（Zhao et al., 2012, PRL, 109, 171301），在3.5個標準差水平發現了暗能量狀態方程隨時間演化的證據（Zhao et al., 2017, Nature Astronomy, 1, 627；https://www.nature.com/articles/s41550-017-0216-z）。這意味著暗能量的本質可能不是真空能，而是某種動力學場，如我國科學家張新民團隊提出的quintom動力學暗能量模型 （Feng, Wang & Zhang, 2004, PLB, 607, 35）。暗能量的動力學性質還需要下一代大型巡天觀測的證認。未來5-10年內，我們期待世界上最大型的星系巡天eBOSS （趙公博擔任此項目領導者之一）、DESI（國家天文台是合作夥伴單位）、PFS（國家天文台是合作夥伴單位）等項目將幫助人類揭開暗能量之謎。

國家天文台王鈺婷博士和張翰予同學作為核心作者參與了此項工作。此項研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院和英國皇家學會高級牛頓學者基金的資助。

利用最新觀測數據得到的暗能量狀態方程演化歷史（淡藍色陰影）。如圖所示，狀態方程偏離-1，並圍繞-1振蕩。此行為與quintom暗能量模型的預言一致。

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