暗能量与暗物质—欧洲航天局（ESA）试图回答宇宙最神秘的问题

Lukas Barcherini Peter
2025年6月16日
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暗物质和暗能量共同构成了宇宙绝大部分——约占总体的92%。其中暗物质约占27%，暗能量约占65%，而我们能观测到的普通物质仅占宇宙的极小部分。尽管这两者都无法被直接观测到，但其影响不容忽视。根据主流理论，暗能量被认为是宇宙加速膨胀的原因，其速度甚至超过了已知物理规律所能解释的范围；而暗物质则通过强大的引力作用决定了宇宙的形态和结构——像一种“胶水”将宇宙的各部分紧密联系在一起。

暗物质是一种无法直接被观测到的物质——它既不发射、也不吸收或反射光——但它通过对周围施加的引力显现出来。像所有形式的质量和能量一样，它是引力的来源，从而影响恒星、星系乃至光的运动。

1930年代，瑞士天文学家Fritz Zwicky首次提出暗物质的概念。他观察到，位于后发座星系团（大约2.23亿光年远）的星系彼此远离的速度超过了可见物质引力所能解释的范围，这意味着存在额外的、不可见的质量产生了引力作用。

暗能量比暗物质更为神秘。当引力将物质拉拢在一起时，暗能量似乎起到排斥作用，将物质、空间和时间分离开来。

这一发现始于1990年代末，当天文学家观测遥远超新星时发现，星系的膨胀（由宇宙大爆炸引起）速度并未像预期那样减慢，而是加速远离。根据爱因斯坦的广义相对论及我们对宇宙中物质运行规律的理解，星系之间的相互引力作用本应减缓膨胀——但事实并非如此。该发现极为惊人和重要，因而获得了2011年诺贝尔物理学奖。

最被广泛接受的解释是，暗能量是空间本身的特性——一种随着空间膨胀而增加的真空能量。与物质不同，暗能量不会随宇宙的增长而稀释；相反，随着时间推移，它的影响会变得更加显著，因为其“浓度”或密度保持不变。

假说表明，暗能量可能暗示爱因斯坦的广义相对论在宇宙的最大尺度上未必完全适用。虽然该理论能很好地描述星系和太阳系内的引力，但它可能无法完全解释整个宇宙空间的运行。暗能量可能不仅仅是一种新的“存在”，更可能是我们对引力理解不完全的一个表现。一些关于暗能量的设想探索了额外维度或未知的物理力。每一种可能性都对宇宙的演化方式提出截然不同的预测。

暗能量的影响可能也会作用于宇宙的几何结构。如果暗能量继续推动宇宙加速膨胀，这将支持“开放型”宇宙——一个永远膨胀的宇宙。而“封闭型”宇宙，则呈环状或球状，意味着未来膨胀可能会逆转，甚至可能导致宇宙塌缩。Euclid 对星系和宇宙结构的精确绘图将帮助科学家检验这些可能性，为了解宇宙的形状及其最终命运提供关键洞察。

尽管已有数据，科学家们仍无法确切界定暗能量和暗物质的性质。它们仍然是对我们观测到但尚未理解的现象的占位术语——指向当前物理学认知极限的路标。Euclid 的作用正是在此：通过提供关于宇宙大尺度结构的高分辨率数据，这一任务有望帮助缩小这些概念的可能解释范围，并揭示它们究竟是尚未发现的新物质，还是在提示我们对引力与空间的基本认知存在根本性的不足，需要重新审视和发展。

Euclid 配备了一台口径为 1.2 米的望远镜及两台观测仪器。VIS（可见光成像仪）拍摄高分辨率可见光图像以检测引力透镜现象，从而帮助绘制暗物质的分布图。NISP（近红外光谱仪与光度计）通过探测远处星系在不同波长的光来测量它们的运动和特性，这种方法称为光谱学。它还可以穿透宇宙尘埃，从而观测遥远的星系。这两台仪器共同使 Euclid 能够绘制出宇宙三分之一区域的详细三维地图，追溯至百亿光年以前。虽然 Euclid 是欧洲航天局（ESA）的任务，但它是全球数百家研究机构协作的成果。该任务将产生海量数据，并由成千上万的科学家进行分析。

随着Euclid任务的推进，其获取的数据可能会证实或挑战我们对宇宙的理解。如果这些观测揭示了现有模型的不足，它们可能指向新的粒子、新的作用力或新的引力理论——从而也可能指向全新的维度。Euclid不会提供所有答案——但通过明确和聚焦问题，它将我们带近一步，更接近理解是什么维系着宇宙、是什么推动它分离，以及它的最终去向。