撰文：赵公博（中国科学院国家天文台）、张新民（中国科学院高能物理研究所）
暗能量是什么？暗能量如何观测？宇宙加速膨胀背后的物理机制到底是什么？爱因斯坦错了吗？本文将从暗能量的发现谈起，深入介绍这个正在推动宇宙加速的神秘力量以及国内外暗能量研究的未来发展态势。
1、宇宙正在加速膨胀
北京时间2011年10月4日，瑞典皇家科学院将2011年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Saul Perlmutter、美国-澳大利亚科学家Brian P。 Schmidt和美国科学家Adam G。 Riess，以表彰他们一项震惊世界的科学发现：宇宙正在加速膨胀！
图1。 2011年诺贝尔物理学奖得主（图片来源：诺贝尔奖官方网站：www.nobelprize.org）在介绍加速膨胀之前，我们先简要地回顾膨胀宇宙的发现历史。1929年，美国天文学家哈勃（Edwin Hubble）在分析了与银河系近邻的24个星系的观测数据后，惊奇地发现大多数星系的光谱存在红移现象。类比于经典物理学中的多普勒现象，星系光谱的红移表明这些天体在逐渐远离我们（见图2A、2B）。哈勃还发现，天体退行速度与它们离我们的距离成正比，即。这就是著名的哈勃定律，其系数被称作哈勃常数。哈勃发现的是一种时空膨胀效应，这意味着整个宇宙处于膨胀状态之中。这个发现在当时震惊世界，甚至让很多人不安。千百年来，人们一直相信宇宙是静态的，这个信念却被哈勃的发现彻底粉碎。人们很希望宇宙的膨胀是在减速进行，这样宇宙的未来还有可能是静态的。
这个美好的愿望与爱因斯坦相对论的预言不谋而合。根据爱因斯坦提出的广义相对论，时空的性质由所属的物质分布和性质所决定。由爱因斯坦场方程
我们可以清楚看到，宇宙的加速度，即宇宙标度因子对时间的二阶导数，与宇宙中总的能量密度与三倍的压强之和反号。传统理论认为宇宙中只有物质，因此总的压强为0，总的能量密度为正，则宇宙只能在引力的影响下减速膨胀。
在实验观测上，要了解宇宙在过去不同时刻的膨胀率，进而确定宇宙的膨胀是加速还是减速，就需要测量更遥远天体的距离和红移的关系。天体的红移可以通过其光谱直接测量，但是测量天体与我们的距离却非常困难。天文学上常用的测距方法是通过测量天体的亮度（它们和天体的星等相联系）来推断距离。因此，在测距过程中要选取那些具有已知的绝对亮度的天体作为观测对象，这类天体被称作“标准烛光”。通过测量不同红移处标准烛光的亮度，并利用亮度与红移（或者星等与红移）的关系，我们就可以用它来确定宇宙膨胀率与时间的依赖关系（见图2C）。
图2。 （A）星系光谱红移观测示意图；（B）哈勃在观测中；（C）利用标准烛光测距示意图；（D）超新星作为宇宙标准烛光的示意图；（E）利用超新星观测得到的距离-红移关系以及与不同宇宙学模型的对比（图片来源：A-C： https：//www.cfa.harvard.edu/supernova/； D： NASA/JPL - Caltech/R。 Hurt； E： Bahcall et al。， 1999， Science，284， 1481）。
宇宙中确实存在我们需要的标准烛光：Ia型超新星（SN）。此类超新星是双星系统中，白矮星吸积物质，或双白矮星并合引起爆发形成的。这类星体在爆发时非常明亮，在短短几周内，其亮度可以与整个星系相比拟，在很遥远的距离上都可以观测到。经过多年努力，由Perlmutter、Schmidt和Riess领导的两个独立的超新星研究小组在1998年几乎同时发现，宇宙深处的超新星比一个通常的以物质为主的宇宙所给出的要暗（见图2E）。这个观测证据表明，宇宙的膨胀正在加速！
除超新星以外，重子声波振荡（BAO）是探测宇宙膨胀历史的另一枚重要探针。在宇宙早期，重子物质与光子紧密耦合，并在引力和光子压强两种相反的作用力下形成类似声波一样的振荡。随着宇宙膨胀，温度降低，这种声波振荡使得重子物质逐渐相互远离，直到宇宙大爆炸后约38万年的微波背景辐射（CMB）时期。从此光子与重子不再相互作用，声波振荡过程结束，星系之间的距离被“冻结”在一个特定的宇宙学尺度上，即BAO尺度（示意图见图3A）。BAO尺度大约为150兆秒差距（约4.9亿光年），具体数值依赖于宇宙学参数。观测上，我们可以通过测量不同尺度上星系对的数目（宇宙学上称为星系的两点关联函数）测量BAO尺度，进而测量宇宙学参数。由于利用BAO尺度直接受宇宙几何影响，而且BAO测距几乎不受系统误差影响，BAO被称为测量宇宙几何的标准尺（示意图见图3B）。目前国际上最大的BAO巡天实验为美国的斯隆数字巡天（SDSS）。其第三期的重子声波振荡光谱巡天（BOSS）通过测量一百万条星系光谱，首次在有效红移0.57处把BAO距离测量精度提高到1%的水平（Alam et al。， 2016， arXiv：1607.03155），并成功在多个宇宙学红移测得高精度的BAO信号，为宇宙学研究提供重要观测支持（Zhao et al。， 2016， MNRAS， 466，762）。BAO的观测独立地表明，宇宙确实正在加速膨胀！
图3。 （A）BAO效果图；（B）BAO作为宇宙标准尺示意图；（C）结合超新星（SN，蓝色），重子声波振荡（BAO，绿色）和微波背景辐射（CMB，橙色）数据得到的宇宙组分结果。（图片来源：A：www.sdss.org；B： NASA/JPL -Caltech/R。 Hurt；C： supernova.lbl.gov）
宇宙标准烛光、宇宙标准尺以及CMB在限制宇宙学参数方面高度互补。图3C显示，结合SN、BAO和CMB的观测数据，目前宇宙中约70%的能量是由一种称为暗能量的未知能量组分提供，约25%的能量由一种称为暗物质的未知物质形式提供，而我们熟悉的普通物质只占总能量的5%左右。
2、暗能量是什么
由前文谈到的爱因斯坦场方程
