1998年，天体物理学家发现，宇宙正在以加速的速度膨胀，这归因于一种名为暗能量的神秘实体，它约占我们宇宙的70%。虽然早前的测量就预示了这一点，但这一发现多少还是令人惊讶的;当时，天体物理学家一致认为，由于重力的作用，宇宙的膨胀应该会减慢。

这一革命性的发现是天体物理学家通过观察特定类型的爆炸恒星获得的，被称为Ia型超新星(读作“1 - a型”)，并于2011年获得了诺贝尔物理学奖。

如今，在最初发现暗能量的25年后，从事暗能量调查的科学家们发布了一项前所未有的分析结果，他们使用同样的技术进一步探索暗能量的奥秘和宇宙的膨胀。他们对宇宙的膨胀提出了DES超新星调查所获得的最严格的限制。

在1月8日美国天文学会第243次会议上的一份报告中，以及在1月份提交给《天体物理学杂志》的一篇题为《暗能量调查:使用完整5年数据集的约1500颗新高红移Ia型超新星的宇宙学结果》的论文中，DES天体物理学家报告的结果与现在标准的宇宙加速膨胀模型一致。然而，这些发现还不足以排除一个可能更复杂的模型。

采用独特的方法进行分析

暗能量调查是一项国际合作，由来自25个机构的400多名天体物理学家、天文学家和宇宙学家组成，由美国能源部费米国家加速器实验室的成员领导。DES使用暗能量相机绘制了几乎整个天空八分之一的区域，暗能量相机是由费米实验室制造并由美国能源部科学办公室资助的5.7亿像素数码相机。它被安装在美国国家科学基金会Cerro Tololo美洲天文台的Víctor M. Blanco望远镜上，这是美国国家科学基金会NOIRLab在2012年的一个项目。DES的科学家们在六年中收集了758个夜晚的数据。

为了了解暗能量的本质并测量宇宙的膨胀率，DES的科学家们使用了四种不同的技术进行分析，其中包括1998年使用的超新星技术。

这项技术需要来自Ia型超新星的数据，这种超新星发生在一颗密度极高的死星，即白矮星，达到临界质量并爆炸时。由于所有白矮星的临界质量几乎相同，所以所有Ia型超新星的实际亮度大致相同，任何剩余的变化都可以校准出来。因此，当天体物理学家比较从地球上看到的两颗Ia型超新星的表观亮度时，他们可以确定它们与我们的相对距离。

天体物理学家通过大量的超新星样本来追溯宇宙膨胀的历史，这些样本跨越了很长的距离。对于每一颗超新星，他们将其距离与红移的测量结果结合起来——红移是指由于宇宙膨胀而远离地球的速度。他们可以利用这段历史来确定暗能量密度是保持不变还是随时间而变化。

“随着宇宙膨胀，物质密度下降，”DES主任兼发言人里奇·克朗(Rich Kron)说，他是费米实验室和芝加哥大学的科学家。“但如果暗能量密度是一个常数，那就意味着暗能量的总比例一定会随着体积的增加而增加。”

十年努力的结晶

标准的宇宙学模型是ΛCDM，或Lambda冷暗物质，或Lambda冷暗物质，一个基于暗能量密度在宇宙时间内不变的模型。它告诉我们宇宙是如何演变的，只使用一些特征，比如物质的密度、物质的类型和暗能量的行为。超新星方法很好地限制了其中的两个特征:物质密度和一个叫做w的量，它表明暗能量密度是否恒定。

根据标准的宇宙学模型，宇宙中暗能量的密度是恒定的，这意味着它不会随着宇宙的膨胀而稀释。如果这是真的，字母w表示的参数应该等于-1。

当DES内部公布他们的超新星结果时，这是十年努力的高潮，也是许多参与其中的天体物理学家的激动时刻。“我在发抖，”澳大利亚昆士兰大学教授塔玛拉·戴维斯(Tamara Davis)说，她是DES超新星工作组的联合召集人。“这绝对是一个激动人心的时刻。”

结果发现，仅使用超新星，w=-0.80 +/- 0.18。结合来自欧洲航天局普朗克望远镜的补充数据，w在误差条内达到-1。戴维斯说:“w并不完全在-1上，但足够接近于-1。”“可能需要一个更复杂的模型。暗能量可能确实会随时间变化。”

为了得出明确的结论，科学家需要更多的数据。但是DES不能提供这个;该调查于2019年1月停止收集数据。由许多博士生和博士后领导的超新星研究小组将很快从DES观测中提取出他们所能提取的所有信息。

杜克大学研究员Maria Vincenzi说:“有30多人参与了这项分析，这是近10年工作的高潮。”Maria Vincenzi是DES超新星样本的宇宙学分析的共同负责人。“我们中的一些人在刚开始攻读博士学位时就开始从事这个项目，现在我们开始担任教职。因此，DES合作项目促进了整整一代宇宙学家的成长和专业发展。”

Pio没有新的方法

最后的DES超新星分析在2018年发布的第一颗超新星结果的基础上进行了许多改进，该结果仅使用了207颗超新星和三年的数据。

在2018年的分析中，DES科学家结合了每颗超新星的光谱数据，以确定它们的红移，并将它们归类为Ia型。然后，他们使用用不同滤镜拍摄的图像来识别光曲线峰值处的通量——一种称为光度测定法的方法。但是光谱很难获得，需要在最大的望远镜上花费大量的观测时间，这对于未来的暗能量调查来说是不切实际的，比如在维拉c鲁宾天文台进行的时空遗产调查(LSST)，该天文台由美国国家科学基金会的NOIRLab和美国能源部的SLAC国家加速器实验室联合运营。

这项新研究开创了一种使用光度法的新方法——使用前所未有的四个滤光片——来寻找超新星，对它们进行分类并测量它们的光曲线。用英澳望远镜对宿主星系的后续光谱分析为每一颗超新星提供了精确的红移。使用额外的过滤器也使数据比以前的调查更精确，与诺贝尔奖得主的超新星样本相比，这是一个重大的进步，后者只使用了一个或两个过滤器。

DES的研究人员使用先进的机器学习技术来帮助进行超新星分类。在观测到的大约200万个遥远星系的数据中，DES发现了几千颗超新星。科学家们最终使用了1499颗Ia型超新星的高质量数据，使其成为迄今为止从单一望远镜中收集的最大、最深的超新星样本。1998年，这位获得诺贝尔奖的天文学家仅用52颗超新星就确定了宇宙正在加速膨胀。戴维斯说:“与25年前相比，这真是大规模的扩张。”

与光谱学相比，新的光度法有一些小缺点:由于超新星没有光谱，分类的不确定性更大。然而，光度法所能提供的更大的样本量足以弥补这一点。

DES开创的创新技术将塑造并进一步推动未来的天体物理分析。鲁宾的LSST和美国宇航局的南希·格蕾丝·罗马太空望远镜等项目将继续DES的工作。Kron说:“我们正在开拓这些技术，这些技术将对下一代超新星调查直接有益。”

波士顿大学助理教授Dillon Brout与Vincenzi共同领导了DES超新星样本的宇宙学分析，他说:“这个新的超新星结果令人兴奋，因为这意味着我们可以真正地为它打上一个结，并将它分发给社区，并说，‘这是我们解释宇宙如何运作的最佳尝试。’”“在相当长一段时间内，这些限制将成为超新星宇宙学的黄金标准。”

即使更先进的暗能量实验即将到来，DES的科学家们也强调了除了实验观察之外，有理论模型来解释暗能量的重要性。“所有这些都是未知的领域，”克朗说。“我们没有一个理论可以把暗能量放在一个与我们所理解的其他物理学相关的框架中。目前，我们在DES正在努力限制暗能量在实践中的工作方式，期望以后一些理论可以被证伪。”

DES科学家通过将超新星的结果与其他DES技术得到的结果相结合，继续在更多的分析中使用这些结果。戴维斯说:“将DES超新星信息与其他探测器结合起来，将更好地为我们的宇宙学模型提供信息。”

“即使我们无限精确地测量暗能量，也不意味着我们知道它是什么，”她说。“暗能量仍有待发现。”