暗能量与暗物质相互作用符号反转的宇宙学证据——DESI数据的启示

《Science China-Physics Mechanics & Astronomy》：Sign-changing interaction in the dark sector: Observational indications from DESI

近期DESI实验的BAO数据与CMB、超新星观测联合分析显示，ΛCDM模型出现~4σ偏离，暗示暗能量可能存在动力学演化。黄庆国研究员团队提出一种符号可变的暗能量-暗物质相互作用模型（IDE），发现耦合参数β(z)在宇宙演化中会发生正负号反转，该现象得到4.1σ置信度支持。这项发表于《中国科学：物理学 力学 天文学》的研究为探索暗物质暗能量相互作用提供了新视角。

　　

当我们仰望星空时，或许不会想到宇宙中95%以上的成分是人类完全未知的暗物质（Dark Matter, DM）和暗能量（Dark Energy, DE）。过去二十年，描述宇宙演化的标准模型——ΛCDM模型（即冷暗物质-宇宙常数模型）虽然成功解释了众多观测现象，但最近DESI（暗能量光谱仪器）项目发布的精确数据却给这一经典理论带来了挑战。

2026年1月发表在《Science China Physics, Mechanics & Astronomy》的研究论文《Sign-changing interaction in the dark sector: Observational indications from DESI》揭示了令人振奋的新发现。该研究由中国科学院理论物理研究所黄庆国（Qing-Guo Huang）研究员完成，通过分析DESI最新重子声波振荡（Baryon Acoustic Oscillation, BAO）数据，结合普朗克卫星和ACT的宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background, CMB）数据以及DESY5的超新星（Type Ia Supernova, SN）数据，发现宇宙中暗能量与暗物质之间的相互作用可能并非恒定不变，而是随着宇宙演化发生了符号反转。

传统ΛCDM模型将暗能量视为爱因斯坦提出的宇宙常数Λ，其状态方程参数w=-1。然而DESI数据与CMB、超新星数据的联合分析显示，动力学暗能量模型（w₀w_aCDM）比标准模型更符合观测，偏离置信度达到4σ。这一发现促使科学家思考更复杂的暗能量-暗物质相互作用模型。

黄庆国研究员关注的是一类称为符号可变相互作用暗能量（sign-changeable Interacting Dark Energy, IDE）的模型。与传统IDE模型假设耦合参数β为常数不同，该研究考虑β随宇宙尺度因子a演化：β(a)=β₀a+β_e(1-a)。这种参数化方式允许相互作用强度在宇宙早期和晚期呈现不同行为。

研究方法与技术路线

本研究主要基于多源天文观测数据的联合统计分析。研究人员利用DESI DR1提供的重子声波振荡数据、普朗克卫星和ACT的宇宙微波背景辐射各向异性数据、以及DESY5超新星联合样本的光度距离数据。采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法对模型参数进行约束，通过贝叶斯证据比较不同模型的相对优劣。关键创新点在于引入了随时间演化的耦合参数β(a)，从而能够探测暗物质-暗能量相互作用符号变化的可能性。

研究结果与发现

耦合参数的符号反转特征

分析结果显示，在Q=β(a)H₀ρ_de相互作用形式下，耦合参数β(z)在宇宙演化过程中确实穿越了非相互作用线（β=0），从正值变为负值。这种符号变化得到当前观测数据4.1σ置信度的支持，表明相互作用的性质可能随宇宙年龄发生根本性改变。

模型比较与贝叶斯证据

贝叶斯模型比较表明，Q∝ρ_de类型的相互作用模型受到数据的中度偏好，优于标准ΛCDM模型。值得注意的是，虽然DESI数据也支持quintom型动力学暗能量模型（其状态方程参数w穿越-1），但从相互作用角度解释观测数据也具有几乎相同的统计显著性。

与传统IDE模型的对比

与先前研究的常数耦合IDE模型（仅显示3σ偏离ΛCDM）相比，符号可变模型提供了更好的数据拟合，暗示相互作用的动力学特性可能是理解宇宙加速膨胀的关键。

结论与展望

这项研究提供了暗物质-暗能量相互作用符号变化的观测证据，为理解暗物质暗能量这一宇宙学核心问题开辟了新途径。结果表明，宇宙中两种主要成分之间的相互作用可能比预想的更为复杂，其强度甚至方向都可能随宇宙时间演化而改变。

从理论角度看，符号可变的相互作用机制能够缓解ΛCDM模型面临的一些困难，如巧合性问题（为什么我们现在恰好生活在暗物质与暗能量密度相当的时期）。从观测角度看，随着DESI后续数据释放以及未来Euclid、Nancy Grace Roman太空望远镜等项目的开展，对相互作用模型的约束将更加精确。

黄庆国研究员的研究不仅展示了中国科学家在宇宙学前沿领域的贡献，也凸显了多信使天文学时代数据驱动发现的重要性。暗物质暗能量相互作用的本质探索将继续推动理论创新和观测技术进步，最终帮助我们更全面地理解宇宙的起源、演化和命运。