2024 年四月初，大型國際天文觀測計畫 DESI（Dark Energy Spectroscopic Instrument，暗能量光譜儀計畫）發表了最新成果，為解開謎團滿滿的「暗能量」帶來全新線索，可能會改寫過去二十年來學界對暗能量的認識，也將宇宙指向更有盼望的未來！

「暗能量（dark energy）是驅使宇宙演化非常重要的元素之一，但是我們不知道暗能量到底是什麼，它的性質為何、它會不會隨著時間演化。這件事情讓人既困擾又興奮！」

國立臺灣大學天文物理研究所助理教授藍鼎文如此說道。他同時也是 DESI 研究計畫的一分子。

有關暗能量的發現，可追溯到約一世紀以前 ，美國天文學家哈伯（那座舉世聞名的望遠鏡便是以他為名）發現遙遠的星系正離地球遠去，而且越遠的星系離得越快，說明宇宙不是穩定的，而是在不停膨脹中。1998 年，兩個天文團隊不約而同發現，目前約 137 億歲的宇宙不單只是在膨脹，還從 50 億年前開始逐漸加速膨脹，讓學者跌破眼鏡。因為此前學者們都認為，宇宙中物質本身的引力，會把膨脹中的宇宙拉回來，讓膨脹率隨時間減緩。

既然宇宙在有引力效應的影響下，仍在加速膨脹，那宇宙勢必充溢著某一種將天體與天體相互推開的能量——天文學家稱之為暗能量。根據推算，暗能量佔了宇宙整體能量將近 70%。

目前學界最想解答的問題是：暗能量，到底會不會隨著時間演化？

這個問題非常重要，因為它關乎宇宙的終極命運。如果暗能量是恆定不變的常數，那麼不停加速膨脹的宇宙，終將使所有天體星系被遠遠拉開。有假說甚至推測，最後宇宙會被暗能量影響，直至原子都被撕裂、萬物走向分崩離析 [1]。但如果暗能量不是常數，而是會隨著時間演化，那宇宙的膨脹也就存在變數，結局將會被大大改寫。

不過，暗能量既看不見也摸不到，那該如何測量？天文學家想出了「旁敲側擊」的方法，不是正面觀測暗能量，而是從探究暗能量造成的影響，即宇宙的膨脹速率下手。只要透過天文觀測，測量宇宙在各時期的膨脹速率，便可以瞭解暗能量的性質。

但我們無法回到過去，要怎麼知道不同時期的宇宙長什麼樣子？別忘了光的特性，越遠的光，需要經歷更長時間才能抵達地球。因此當我們用望遠鏡探向更遙遠的星系時，所觀測到的會是遠古時期的光，就像是打開了宇宙不同階段的「畢業紀念冊」，可以一探古老宇宙的模樣。

解決了時間的問題，接下來要處理的，便是測量我們與天體之間的距離了。有了距離的測量值，天文學家便能回推出宇宙的膨脹速率。藍鼎文教授介紹了現有兩種的量測方式，第一種稱為「標準燭光（standard candles）」。

藍鼎文教授解釋，標準燭光的概念如同夜晚走在路上看某一盞路燈，我們越靠近的時候，路燈看起來越亮；逐漸遠離的時候，路燈看起來會越暗。這代表路燈看起來的亮度，與路燈和我們之間的距離有關。同理可得，只要知道某一種天體具備的所有能量與相應的發光強度，天文學家便可以根據觀測到的亮度，來計算距離。

第二種方式稱為「標準尺規（standard ruler）」，概念和標準燭光類似，只是並非以發光天體的亮度，而是以天體本身的大小作為參考基準。在暗能量的觀測中，天文學家利用的是一種宇宙初期的產物「重子聲波振盪（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）[2]，透過它的實際大小與觀測大小，來推算相隔距離。

執行暗能量研究的 DESI，全名為暗能量光譜儀計畫（Dark Energy Spectroscopic Instrument），有超過 500 位研究人員、約 70 所國際研究機構參與其中。 DESI 計畫運用美國亞利桑那州一座山上直徑四公尺的 Mayall 望遠鏡，打造了由 5,000 個微型機器手臂與先進光纖構成的「眼睛」、當前最強大的光譜儀。在 2021 至 2026 年五年間，這個計畫將觀測約 4,000 萬個天體。

透過每個 DESI 「眼睛」搜集到的天體光譜 [3]，研究團隊可以得知其不同顔色的光強度，描繪出各個星系在宇宙中三維空間的相對位置，並搭配標準尺規 BAO 的訊號，測量宇宙膨脹的速率。這不僅有助於探究暗能量的本質，更能描繪出有史以來最大的宇宙三維圖，建構更精確的宇宙模型。

其中，藍鼎文教授負責統籌一個由數十位科學家組成的團隊，接下檢驗 DESI 星系光譜數據品質是否達標的任務。他們逐一檢視上萬筆計畫初期的光譜數據，並藉此測試 DESI 自動分析演算法的表現。研究團隊以嚴格的標準，確認觀測所得的光譜都有極佳品質，且開發的分析軟體準確率超過 99%，為後續研究打下重要的基礎。

藍鼎文教授分享：「每一個工作和步驟環環相扣，執行的精確程度都會影響到最後暗能量的測量值。」最讓他印象深刻的是，成員們都彼此配合、各司其職，將自己負責的事情做到最好，最後整個計畫才能得出最好的科學成果。

就在今年四月初，DESI 研究計畫捎來好消息：他們首度向世界公開使用超過 600 萬筆光譜數據的分析結果，暗示著暗能量是有可能會隨著時間演化的！雖然這只是初步結果，還需更多數據分析才能更好地驗證，但仍然是相當振奮人心的成果。儘管人的生命在宇宙數十億年漫長的歷史中不過刹那一瞬，但此時此刻各國的學者們，仍孜孜不倦地努力，在揭開壯闊宇宙史詩般演化歷程的旅途前行。

[1] 這一假說是根據「大撕裂（Big Rip）」的宇宙論模型，若暗能量擁有特定性質，超越一切作用力，宇宙將走向連原子都被撕裂的結局，被預估將在100 多億年之後發生，唯目前仍沒有足夠精確的數據能夠確認這一模型（但若大撕裂發生，地球會在 50 億年後，先被氫燃料耗盡、壽終正寢的太陽給吞噬）。

[2] 原初宇宙是炙熱得讓次原子粒子無法形成穩定原子的電漿，這些粒子中包含氫和氦核，被統稱為重子。這種原初電漿中的微小波動形成壓力波，使得重子移動形成波紋，就像石頭擲入水中形成的水波漣漪。隨著宇宙因膨脹而逐漸冷卻到一定程度，不帶電的原子形成、壓力波無法繼續傳遞，這些立體結構「漣漪」於是被凍結，並在重疊之處形成密集的星系。這些數十億年之後仍能被觀測到的「漣漪」，就是「重子聲波振盪（Baryon Acoustic Oscillations, BAO），並成為宇宙中的標準尺規。

[3] 光譜是指複色光經過稜鏡、光柵或其他色散系統分光後，依波長排列形成的光帶，例如彩虹就是太陽光的光譜。DESI 所觀測各類的天體光譜，包含遙遠星系、類星體和銀河系中的恆星。