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暗能量（dark energy）與暗物質（dark matter），是當代物理的兩大未解之謎。

物理學家已經知道它們的存在數十年之久，但對它們的真身仍然所知甚少。為了解開這個謎團，物理學家兵分二路，高能物理學家們利用粒子加速器和各式各樣的感測器，試圖尋找暗物質的身影，並提出各種理論解釋暗能量的可能來源；另一方面，天文學家則建造望遠鏡仰望宇宙，試圖觀測宇宙138億年來的演化歷史，了解暗能量和暗物質的特性。

今（2021）年5月底，由美國費米實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory）主導的「暗能量巡天計畫」（Dark Energy Survey, DES），公布了前3年的研究成果。本文將帶領各位讀者一起認識暗能量與暗物質，以及DES團隊是如何藉由測量數億個星系的位置、形狀、紅移等，計算暗物質與暗能量的各項性質！

暗物質與暗能量？

想必許多讀者都曾經聽過所謂的「大霹靂」（Big Bang）宇宙論，即我們的宇宙誕生於138 億年前，並一路膨脹至今。但這看似不起眼的「膨脹」兩個字其實大有學問。想要形成星系和宇宙中的大尺度結構，物質就需要在重力的吸引下被聚集起來。但宇宙膨脹會將物質拉開，抑制星系和大尺度結構形成，所以宇宙的膨脹歷史，會影響著宇宙中有多少星系和大尺度結構形成；而宇宙的膨脹歷史，又是由宇宙中的物質密度和物質狀態所決定。在當代的宇宙學中，主宰宇宙演化的物質基本上就是兩類：暗物質與暗能量。

「宇宙中有大量看不見的物質」的想法早在20世紀初就已萌芽。1933年，瑞士天文學家茲威基（Fritz Zwicky）在研究后髮座星系團（Coma Cluster）時，發現后髮座星系團中似乎有著許多「看不見」的隱藏質量，因此創造了「暗物質」一詞。從此之後，越來越多的觀測證據，比如星系的旋轉曲線、星系團的重力透鏡等都顯示，宇宙中確實存在著許多看不到的質量，而且比我們熟知的一般物質還要多很多。到了1980年代，暗物質的存在已是天文學家的普遍共識。當時的宇宙學家，廣泛以暗物質主宰的宇宙學模型來描述宇宙演化。這類的模型稱為「愛因斯坦—德西特模型」（Einstein–de Sitter, EdS），可以解釋宇宙中的星系與結構的形成。……【更多內容請閱讀科學月刊第620期】

以可見光和X射線（瀰漫的藍色）拍攝的后髮座星系團。這些瀰漫的X 光來自星系團中的高溫氣體，也是暗物質存在的重要證據之一。（ESA/XMM-Newton/SDSS/J. Sanders et al. 2019）