暗能量能谱仪器安装在美国国家科学基金会的 Nicholas U. Mayall 4 米望远镜上，该望远镜位于亚利桑那州基特峰国家天文台（NSF NOIRLab 的一个项目）。图片来源：KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/B. Tafreshi

DESI 观测表明，黑洞可能通过消耗恒星物质来产生暗能量。这个想法解决了有关中微子质量和宇宙膨胀的难题。

这是探索物理学中一些最深刻的奥秘的非凡时刻，先进的实验和越来越精确的测量使之成为可能。最引人注目的问题之一集中在暗能量上，暗能量是驱动宇宙加速膨胀的未知力量的术语。

发表在《物理评论快报》上的一项研究提出了新的证据，表明暗能量在宇宙演化中的作用——长期以来一直被认为保持不变——实际上可能会随着时间的推移而变化。根据研究人员及其合作者的说法，这些结果可以解释为普通物质正在逐渐转化为暗能量的迹象。

这项工作基于亚利桑那州南部的一座山 Iolkam Du'ag 的观察结果，Tohono O'odham Nation 负责监督基特峰国家天文台。在该地点，暗能量光谱仪器 （DESI） 用 5,000 只机器人眼睛深入扫描宇宙的历史，每只机器人眼睛能够每 15 分钟锁定一个不同的星系。

DESI 的数据正在绘制整个宇宙中数百万个星系的大规模分布图。DESI 的测量还能够通过不同理论框架提供的不同透镜对宇宙中微子的质量进行新的计算。图片来源：DESI Collaboration

黑洞作为暗能量气泡

DESI 几乎每晚都在运行，已经绘制了数百万个星系和其他发光天体的图表，其中许多可以追溯到宇宙年龄不到当前年龄的一半时。

在这项研究中，该团队研究了黑洞充当微小暗能量库的想法。由于黑洞是在大质量恒星燃烧其燃料并坍缩时形成的，因此这个概念——被称为宇宙耦合黑洞 （CCBH） 假说——意味着恒星物质会转化为暗能量。

这个框架自然地将暗能量产生的速度和物质的消耗与一个经过充分研究的数量联系起来：恒星形成的速度，几十年来用哈勃太空望远镜和现在的詹姆斯韦伯太空望远镜等仪器测量。

“这篇论文首次将数据拟合到特定的物理模型，而且效果很好，”DESI 合作成员、密歇根大学物理学名誉教授、新报告的通讯作者 Gregory Tarlé 说。

左图：报告中的一个关键人物，探索宇宙耦合黑洞（CCBH）假说对中微子或“幽灵粒子”质量的含义。右：该图的注释简化了其主要思想。图片来源：图表：SA Ahlen at al. Phys. Rev. Lett. 2025 DOI：10.1103/yb2k-kn7h 注释：Claire Lamman/DESI 合作

该研究的另一个核心方面涉及中微子——极轻的幽灵状粒子，是宇宙中仅次于光子的第二大粒子。物理学家知道中微子必须具有很小但非零的质量，这意味着它们对宇宙的整体物质含量有贡献，尽管它们的确切质量仍不确定。

通过在 CCBH 框架内分析 DESI 的发现，该团队获得了大于零的中微子质量值。这一结果符合当前的科学理解，并改进了早期指向零甚至负值的解释。

发展 CCBH 假说

“这至少很有趣，”塔利说。“我想说引人注目是一个更准确的词，但我们真的试图在我们的领域保留这一点。”

DESI 是由来自 70 多个机构的 900 多名科学家组成的全球合作项目。该项目由劳伦斯伯克利国家实验室牵头，建设和运营由美国能源部科学办公室资助。该仪器安装在基特峰国家天文台的 Nicholas U. Mayall 4 米望远镜上，由亚利桑那州的 NSF NOIRLab 运营。

CCBH 模型是由研究合著者、亚利桑那州立大学助理研究科学家凯文·克罗克 （Kevin Croker） 和夏威夷大学教授邓肯·法拉 （Duncan Farrah） 大约五年前提出的。这个想法建立在数十年的理论工作之上，这些工作探索黑洞是暗能量的液滴，而不是包裹在单向边界中的破坏性“意大利面条化”奇点。

尽管黑洞内的暗能量可以影响整个宇宙的说法非常规，但事实证明它在数学上是可行的。这吸引了一小群研究人员，他们开始测试该假设与现有观测结果和大规模宇宙学数据的匹配程度。

“从历史上看，这就是物理学的完成方式。你想出尽可能多的想法，然后尽可能快地击落它们，“DESI 研究员史蒂夫·阿伦 （Steve Ahlen） 说，他是波士顿大学物理学名誉教授，也是 CCBH 开发的早期合作者。

“你不会回避新的和不同的想法，这显然是我们现在需要想出的，因为有这么多谜团。”

将暗能量与恒星形成联系起来

支持 CCBH 假说的第一个数据来自休眠椭圆星系中心超大质量黑洞的意外增长，相对于这些星系恒星种群的增长。但正是 DESI 第一年的数据显示了跟踪恒星形成速度的暗能量密度，说服了克罗克和法拉与 DESI 合作组织联手。

“与 DESI 合作处理三年数据，这改变了游戏规则，”克罗克在谈到作为 DESI 外部合作者参与该项目时说。“你有一些该领域最敏锐、最有创造力的研究人员伸出援手和心。这是绝对的荣幸。

除了称为光子的光包外，中微子是宇宙中最丰富的粒子。在你读完这句话的时间里，几百亿个中微子会穿过你的身体。但中微子很少与周围环境相互作用，这意味着它们不断地穿过其他物质，完全不被发现，这就是为什么它们有时被称为幽灵粒子。

科学家们知道中微子有质量，但由于它们的空灵性质，准确测量多少质量具有挑战性。虽然目前在地球上正在进行的大量实验正在努力确定这些数字，但夜空提供了一个强大而互补的答案途径。

DESI 的星系地图包含有关宇宙在过去 100 亿年中增长速度的信息，进而提供了物质和暗能量的宇宙清单。但物质分为三种类型：冷暗物质、重子和中微子。大爆炸余辉的早期宇宙测量很久以前就测量了暗物质和重子的数量。但根据 DESI 的说法，与古代相比，今天的物质似乎更少了。这给中微子留下的空间很小。

“数据表明中微子质量为负，当然，这很可能是非物理的，”亚利桑那州立大学地球与空间探索学院摄政教授、这项新研究的合著者罗吉尔·温德霍斯特说。

CCBH模型解决中微子难题

然而，用 CCBH 假设解释，非物理问题消失了。由于恒星是由重子组成的，而黑洞将死去的恒星物质转化为暗能量，因此今天的重子数量相对于大爆炸的测量值有所减少。这使得中微子能够以其他测量预期的方式为物质预算做出贡献。

“你会发现中微子质量概率分布不仅指向一个正数，而且指向一个完全符合地面实验的数字，”温德霍斯特说。“我觉得这非常令人兴奋。”

虽然这一结果获得了最高票价，但这项工作还强调了 CCBH 模型的其他有用功能。

“CCBH 假说可以量化地将你最初不认为相关的现象联系起来，”法拉说。“正是大大小小的音阶的混合，与我们训练有素的线性直觉背道而驰。”

物质减缓了宇宙的生长，而暗能量则加速了宇宙的生长。因为在 CCBH 假说中，物质被转化为暗能量，加速膨胀发生得更早，因此今天的膨胀率，即哈勃率，要大一些。这种额外的提升使哈勃速率的宇宙学测量更接近其他测量值，例如来自遥远爆炸恒星的测量值，称为超新星。

CCBH 假说还解释了观测到的暗能量量：这不仅仅是宇宙诞生时设定的某个神奇数字。暗能量来自死去的恒星，所以在你有恒星之前没有任何能量，而恒星直到宇宙变得足够大和足够冷时才会形成。一旦产生恒星，产生的暗能量量与产生多少恒星直接相关。

与 DESI 一起展望

“从事这个项目既具有挑战性，又非常有趣，”研究合著者、墨西哥瓜纳华托大学研究员古斯塔沃·尼兹说。“这只是将 CCBH 确立为可行理论的又一个里程碑。需要更多的数据、严格的分析和更广泛的审查来确定它是否可以成为解释我们宇宙的新范式。当然，随着新数据的出现，它也可能被排除在外。

克罗克说，在粗略地观察宇宙时，这一假设表现良好，“但来自其他研究单个黑洞的实验的数据并不那么令人信服。这就是为什么这个假设很有趣。许多不同的观察者实际上可以测试它，实时敲定它。

根据 Ahlen 的说法，这就是科学的发展方向。但对于从一开始就致力于 DESI 的科学家来说，令人兴奋的是，看到数据的出现使研究人员能够测试新的和不同的假设。

“这太酷了，在进行了这么长时间的实验之后，能够取得令人兴奋的结果，”领导构建 DESI 机器人眼系统的团队的 Tarlé 说。“这真是太棒了。”

除了美国能源部科学办公室的主要支持外，DESI 还得到了美国能源部科学办公室用户设施国家能源研究科学计算中心的支持。NSF 为 DESI 提供额外支持;联合王国科学技术设施委员会;戈登和贝蒂摩尔基金会;海辛-西蒙斯基金会;法国替代能源 2 和原子能委员会;墨西哥国家人文、科学和技术委员会;西班牙科学与创新部;以及 DESI 成员机构。

DESI 合作很荣幸获准对 Iolkam Du'ag（基特峰）进行科学研究，这座山对 Tohono O'odham Nation 具有特殊意义。