基于DESI DR2重子声学振荡测量的动力学暗能量发现及其对ΛCDM模型的挑战

《Nature Astronomy》：Dynamical dark energy in light of the DESI DR2 baryonic acoustic oscillations measurements

《自然·天文学》最新研究推荐：为解决宇宙加速膨胀的物理本质问题，DESI合作团队利用第二代数据释放（DR2）的重子声学振荡（BAO）测量，结合超新星（Pantheon+、Union3、DESY5）和宇宙微波背景（CMB）距离先验，通过形状函数重建和非参数贝叶斯方法，发现暗能量状态方程w(z)随红移演化，显示出偏离ΛCDM模型的显著证据（最高达3σ），为动力学暗能量理论提供了迄今最有力的观测支持。

　　

宇宙为何加速膨胀？这个问题被誉为现代宇宙学最持久的谜题。自20世纪末超新星观测首次揭示宇宙加速膨胀以来，ΛCDM模型一直被视为标准宇宙学模型，其中暗能量被解释为爱因斯坦提出的宇宙学常数Λ。然而，这种解释面临着严重的理论困难——量子场论预言的真空能量密度比观测值大数十个量级。这促使科学家不断追问：暗能量是否真的永恒不变？还是说它其实是一种随时间演化的动力学场？

近日发表于《自然·天文学》的研究给出了迄今为止最有力的观测证据。由中美英等国科学家组成的DESI（暗能量光谱仪）合作团队，利用其第二代数据释放（DR2）的重子声学振荡测量，结合多组超新星数据和宇宙微波背景距离先验，发现暗能量状态方程w(z)明显偏离-1，呈现出随宇宙时间演化的特征。这项研究不仅证实了此前DESI DR1的初步迹象，更凭借DR2更大的统计量和更宽的红移覆盖范围，将证据显著性提升到了新的高度。

研究团队采用了两种互补的方法来探测暗能量动力学。首先，他们开发了一种形状函数形式主义，通过构建三个关键函数S₀(z)、S₁(z)和S₂(z)来捕捉暗能量密度、压力和状态方程的演化特征。这些函数在ΛCDM模型下有明确的预测值，任何偏离都可能暗示新物理。

第二种方法则更为激进——完全非参数的贝叶斯重建。研究人员将w(z)离散化为29个分段常数，并引入基于霍恩德斯基理论（Horndeski theory，一种推广的标量-张量理论）的相关性先验，以避免过拟合并确保重建结果的平滑性。这种方法不对w(z)的函数形式做任何先验假设，让数据自己"说话"。

关键技术创新包括：基于DESI DR2的BAO距离测量（覆盖红移0.1-4.16）、三组独立超新星样本的交叉验证、CMB声学尺度θ_?先验，以及霍恩德斯基理论启发的相关性先验约束。特别是DESI DR2提供了迄今最精确的BAO测量，统计误差比DR1显著减小，使w(z)重建的精度大幅提升。

形状函数分析揭示系统性偏离

通过分析S函数，研究团队发现所有数据集都显示出与ΛCDM预期的系统性偏离。DESI DR2样本尤其明显，S₀和S₁函数在整个红移范围内都持续高于ΛCDM预测值，表明暗能量密度和压力的演化行为无法用简单的宇宙学常数解释。值得注意的是，DR2显示的动力学暗能量信号比DR1更强，且与超新星数据的趋势一致，增强了结果的可信度。

状态方程参数空间的约束

采用常用的w₀-w_a参数化（w(a) = w₀+ w_a(1-a)），研究团队发现DR2数据明显倾向于w₀> -1且w_a< 0的区域，对应所谓的"Quintom B"场景——暗能量在过去表现为phantom类型（w < -1），而现在则表现为quintessence类型（w > -1）。结合超新星数据后，与ΛCDM的张力超过2σ。

非参数重建显示振荡特征

最令人惊讶的是非参数贝叶斯重建结果。w(z)在z ? 0.2时大于-1，在z ≈ 0.75时小于-1，呈现出明显的振荡特征。这种非单调演化在多个暗能量模型中可以自然出现，如周期性势能的类轴子quintessence模型、与暗物质相互作用的暗扇区框架，以及多场quintom构造等。重要的是，这一特征在不同超新星样本和DESI数据更新中都保持稳定，不太可能是系统误差造成的假象。

主成分分析揭示约束模式

通过主成分分析（PCA），研究人员发现数据主要约束了w(z)的前三个独立模式。低红移超新星数据显著改善了对振荡模式（PC2和PC3）的约束，而DESI DR2相比DR1在所有约束模式上都表现出更大的特征值，表明其统计功率更强。当考虑三个有效自由度时，DESI BAO+CMB+DESY5组合检测暗能量演化的信噪比达到3.9，贝叶斯证据为5.2±0.7，属于"中等"支持级别。

贝叶斯证据支持动力学解释

模型选择分析显示，当考虑多个有效自由度时，数据倾向于动力学暗能量模型而非ΛCDM。虽然仅凭BAO数据证据较弱，但加入超新星数据后，贝叶斯证据显著增加。例如，DR2+DESY5组合在N_eff=3时达到峰值证据5.2±0.7，对应中等支持级别。值得注意的是，Pantheon+数据对w≠-1的支持相对较弱，可能与不同数据集间轻微的系统误差有关。

研究结论强调，DESI DR2数据提供了迄今最有力的观测证据，表明暗能量可能不是简单的宇宙学常数，而是随时间演化的动力学组分。尽管证据强度尚未达到决定性的5σ水平，但多个独立数据集和方法学的一致性增强了结果的可靠性。可能的系统误差（如光度校准偏移、颜色-光度关系演化等）只能产生平滑的红移趋势，而无法解释观测到的振荡特征。

这项研究的意义在于，它首次以多种互补方法系统性地揭示了暗能量动力学的观测证据，为超越ΛCDM模型的新物理探索开辟了道路。未来的DESI完整样本、欧几里得卫星（Euclid）和下一代CMB实验将进一步检验这些发现，最终揭示宇宙加速膨胀的本质奥秘。