测量暗能量
DESI 的 5 020 个机器人把光纤对准星系。星系的位置里藏着一把约 4.8 亿光年的尺子，用来量宇宙怎样膨胀。
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宇宙膨胀的历史
宇宙在膨胀。约四分之一个世纪前，遥远的超新星显示这种膨胀在加快；让它加快的东西叫暗能量。最简单的解释是“宇宙学常数”：一种密度不随时间变化的能量。如果暗能量会变，宇宙在不同年代膨胀的快慢就和常数的预期不一样。
DESI 的办法是量距离：在不同的红移，也就是不同的过去，量出星系离我们有多远、宇宙那时膨胀得多快，一直回到约 110 亿年前。三年的数据（DR2）里，每一段红移的距离精度都在 0.45 % 到 1.54 % 之间。
七段红移 · 每段的距离精度 0.45–1.54 %（DR2）· 过去约 110 亿年
冻在星系里的尺子
早期的宇宙是一团炽热的等离子体，里面传着声波。到红移约 1060，光子不再拖着普通物质走，声波停住，留下一个固定的距离：约 147 百万秒差距（Mpc），约 4.8 亿光年。这叫重子声学振荡，简称 BAO。
这个距离印在星系的分布里：相隔约 147 Mpc 的星系对，比相隔别的距离的稍多一点。它是统计上的：单看一个星系，周围并没有一个看得见的圈；台上小牌子里的红圈只是标出尺子的长度。2005 年，斯隆数字巡天用 46 748 个星系测到了它，同一年 2dF 巡天也报告了它。尺子有多长已知，看它在不同红移上显得多大，就能算出那里的距离。
约 147 Mpc ≈ 4.8 亿光年 · 2005 年测到（斯隆巡天 46 748 个星系，3.4σ）
光谱里的红移
星系的红移从光谱里来。光在路上走得越久，被宇宙的膨胀拉得越长，谱线就越往红的一边移。红移 z 等于（观测到的波长 − 原来的波长）÷ 原来的波长。
每根光纤把一个星系的光送进光谱仪，量出它的谱线移了多少。例如正在形成恒星的星系发出一对氧离子谱线，原来在 372.7 纳米附近；在红移 1 的星系里，它出现在约 745 纳米；DESI 能在红移 1.6 以内认出它。
z = （λ观测 − λ原来）÷ λ原来 · [O II] 372.7 纳米 → z = 1 时约 745 纳米
望远镜顶上的仪器
DESI 装在美国亚利桑那州基特峰的梅奥尔望远镜上。主镜直径 4 米，把光反射到镜筒顶端的主焦点；DESI 的第一片透镜在主镜上方约 8.7 米，从它到焦面是 2.43 米长的一串透镜。连同新的笼架和翼梁，顶端的质量预算是 10 700 千克。
这里把顶端取下来横放在台上，按 1 : 4 做：钢镜筒里是六片透镜，后面是焦面和它的外壳；六足台把镜筒挂在笼架的中环上。前上方切开一块，切口涂成红色。旁边站着一个 1.75 米的人。
4 米主镜 · 第一片透镜在主镜上方约 8.7 米 · C1 到焦面 2.43 米
六片透镜
六片透镜接住主镜送来的光，在直径 3.2° 的一片天空上聚成清楚的像（约 8 平方度，约 40 个满月），并把焦比从 f/2.8 改成约 f/3.9。六片玻璃一共 864 千克，最大的两片是 C1（直径 1.14 米、重 201 千克）和 C4（直径 1.03 米、重 237 千克）。
中间两片是大气色散校正器：两片磨出约 0.25° 楔角的硼硅玻璃，各装在一个大齿圈里，朝相反的方向转。望远镜斜着看天时，大气像一块弱棱镜，把每颗星拉成一道小小的彩条；两片楔子转到合适的角度，把它拉回来。
C1 1.14 米 · C4 1.03 米 · 3.2° 视场，约 8 平方度 · 864 千克玻璃
十片花瓣
焦面直径 812 毫米，微微凸起，分成十个 36° 的楔形“花瓣”。每片花瓣是一块 8.6 千克的铝，打了 514 个孔，每个孔都朝着它那一点的主光线：502 个装机器人，12 个装发蓝光的基准点。十片一共 5 020 个机器人。
每片花瓣的 500 根光纤接到一台光谱仪，另外 2 根接天空监测相机。花瓣外角上各有一台导星或调焦相机：六台导星，四台测波前。整个焦面装在外壳里，保持在 11 °C。
10 × 502 = 5 020 个机器人 · 5 000 根光纤进光谱仪 · 焦面 812 毫米
一个机器人，两条臂
每个机器人是一根约 29 厘米长、8.3 毫米粗的细杆，像火花塞那样拧进花瓣的孔里。它的前端有两根转轴：中心的 θ 轴转动整个头部，离中心约 3 毫米的 φ 轴再转一条约 3 毫米长的臂，臂的末端夹着光纤。光纤能走到一个直径 12 毫米的圆里的任一点。
两根轴各由一台直径 4 毫米的电机驱动，减速约 337 倍。相邻的机器人最近只隔 10.4 毫米，它们能走的圆互相重叠，所以先收臂、再转、再伸臂，免得相撞。光纤的芯直径 107 微米，对着天上约 1.5 角秒。
两条臂各约 3 毫米 · 巡游圆 12 毫米 · 最近 10.4 毫米 · 光纤 107 微米 ≈ 1.5″
两分钟换一片天
一次曝光通常 1 000 秒。曝光一结束，望远镜转向下一片天，5 020 个机器人一起把光纤挪到新的星系上。真正在动的只有 8 到 12 秒；再加上算防撞路线、传指令和检查位置，两次曝光之间约 2 分钟，最快 118 秒。
位置是这样检查的：从光谱仪那头给光纤打光，光纤头亮成一个个小点；主镜后面、离焦面约 12 米的光纤视场相机拍下它们，算出偏差，机器人再修正一次。修正后的误差约 6 到 9 微米，要求是 10 微米以内。
曝光约 1 000 秒 · 移动 8–12 秒 · 换场约 2 分钟 · 误差 6–9 微米
将近五十米的光纤
每片花瓣的光纤汇成一根电缆，十根电缆各长 47.5 米；加上机器人里约 3 米的一段，从光纤头到光谱仪将近 50 米。电缆沿着翼梁走到望远镜的上环，顺着镜架下来，穿过望远镜的两根转轴，再穿墙进入放光谱仪的房间。
每根电缆里约有 530 根光纤，比用到的多几根备用，像海底光缆那样绕着一根加强芯缠起来。光纤的传光率约 90 %。画面里电缆在地上断开了一段：真实的长度放不下。
十根电缆 · 各 47.5 米 · 每根约 530 根光纤 · 传光率约 90 %
十台光谱仪，三十台相机
电缆的另一头，500 根光纤排成一条 121 毫米长的狭缝，光从这里进光谱仪。两片分色镜把光分成三段，蓝、红、近红外，分别是 360–593、560–772 和 747–980 纳米。每段有自己的光栅、相机和 CCD；蓝段的 CCD 冷到 163 开，另两段冷到 140 开。
十台光谱仪分上下两排，每排五台，放在一个 8.5 米长的架子上，架子在一间 20 °C 的洁净小屋里。这里只画了架子的一列：两台。曝光结束后，读出一次要 60 秒。
10 × 3 = 30 台相机 · 360–980 纳米 · 分辨率约 2 000–5 500
一张三维地图
正式巡天在 2021 年 5 月 14 日开始。第一年的数据（DR1）测 BAO 用了 600 多万个星系和类星体；三年的数据（DR2）用了 1 400 多万个，红移从 0.1 到 2.1；再加上 82 万多个类星体光谱里的莱曼-α 森林，即远处的氢气在类星体的光里吸收出的一串谱线，把测量推到红移约 2.3。
原定的五年巡天在 2026 年 4 月 15 日完成，得到 4 700 多万个星系和类星体、2 000 多万颗恒星，比原定的 3 400 万多。伯克利实验室称它是迄今最大的高分辨率三维宇宙地图。台上小牌子是本页画的示意：一个薄片，地球在左边的尖上。
DR1：600 多万 · DR2：1 400 多万 · 五年：4 700 多万（2026 年 4 月）
暗能量在变吗
用两个数描述暗能量：w₀ 是它现在的状态方程，wₐ 是它随时间变的快慢。宇宙学常数的这两个数是 w₀ = −1、wₐ = 0。把 DESI 的距离和宇宙微波背景（CMB）、超新星放在一起，看哪一组 w₀、wₐ 最合适。
三年的数据都偏向会变的暗能量，偏向多少看用了哪些数据：只用 DESI 是 1.7σ，和 CMB 合起来是 3.1σ，再加上三组超新星中的一组，分别是 2.8σ、3.8σ 和 4.2σ（第一年是 2.5σ 到 3.9σ）。后来暗能量巡天（DES）重新校准了它的超新星，那一组从 4.2σ 降到 3.2σ。物理学里“发现”要到 5σ；现在是一个迹象，还不是结论。
DR2：DESI 1.7σ · 加 CMB 3.1σ · 再加超新星 2.8–4.2σ · 重新校准后 3.2σ · 都没到 5σ
怎样分出高下
DESI 五年数据的暗能量结果预计在 2027 年发表；巡天延长到 2028 年，覆盖 17 000 平方度，目标是 6 300 万个星系和类星体。更多的超新星也会来，DESI 的论文提到 ZTF 和鲁宾天文台的巡天；那台相机见图版“最大的数码相机”。
如果迹象随着数据变强，暗能量就不是一个常数，宇宙以后怎样膨胀，也会和常数的预期不同；如果它随着数据消失，宇宙学常数仍是最简单的解释。看不见的另一种东西，暗物质，见图版“暗物质探测”。
五年结果约 2027 年 · 延长到 2028 年 · 17 000 平方度 · 目标 6 300 万
拆开来看
校正镜、六足台、笼架、焦面、焦面外壳、光纤电缆和光谱仪，一件件分开。
指针停在哪一件上（手机上轻点一下），那一件便单独托起，标出名字，其余的淡去。
实验台
拖动 w₀ 和 wₐ。图里是 DESI 三年的七个 BAO 距离和这组暗能量给出的距离曲线，都除以宇宙学常数的最佳曲线；读数是剩下的 χ²、红移 0.5 时暗能量的密度，以及那把尺子在红移 0.51 处对着天上多大的角度。
这是本页的模型，不是 DESI 的分析：只用 DESI DR2 表 IV 的 13 个数，每组 w₀、wₐ 都重新挑最合适的物质密度和 H₀r_d；宇宙平直，辐射不计。DESI 的结论还用了 CMB 和超新星，只用 BAO 时的偏向很弱。
试一试在实验台上，把 w₀ 拖到 −0.75，把 wₐ 拖到 −0.86。只用 DESI 的 BAO 点，χ² 比宇宙学常数小多少？在红移 0.5，暗能量的密度是今天的几倍？
模型省略了什么
仪器按 1 : 4 做。透镜的直径、厚度和间距按建成后的数据，曲面是画的，只让每片的总厚度对上；ADC 的楔角画成 0.25°，转动画快了。镜筒、笼架、六足台、焦面外壳、焦面适配锥和支架的样子按图和照片读，没有公布的尺寸。焦面按 4.98 米的球面画（真实的是非球面，差约 0.2 毫米）；机器人只画了露在花瓣前面的头部，按六角形排列，每片 502 个，真实的排法边上不规则；机器人的指向画成都平行于光轴，真实的每个都朝着它那一点的主光线；12 个基准点没有画。花瓣背后的框架、电子盒和导管按照片简化。电缆在地上断开了一段：真实的长度约 50 米，要经过翼梁、镜架和两根转轴；八根电缆在断口处截止，只有两根接到画出的两台光谱仪。光谱仪架子只画了一列（两台），长 8.5 米的架子其余部分没画。光线是示意，透镜里的折射没有画；光纤的光和换场的动作画快了。小牌子上的点是本页生成的示意点，不是 DESI 的星系；红圈只标出尺子的长度。实验台是本页的模型。
几个常见的误解
BAO 不是每个星系周围看得见的圈，而是相隔约 147 Mpc 的星系对稍多一点，要用几百万个星系才量得出来。“暗能量在减弱”不是发现：只用 DESI 的 BAO，偏向很弱；和 CMB、超新星合起来是 2.8σ 到 4.2σ，看用哪一组数据，重新校准后的一组是 3.2σ，都没有到 5σ。w₀ 和 wₐ 是一种方便的描述方式，不是某个物理模型。红移量的是光被拉长了多少，不是星系的颜色。机器人不是“看”星系，它们只把光纤放到事先算好的位置上；位置由光纤视场相机检查。5 020 个机器人里，进光谱仪的是 5 000 根光纤，另外 20 根接天空监测。
常见问题 · 5
- DESI 有多少个光纤机器人？
每片花瓣是一块 8.6 千克的铝，打了 514 个孔，每个孔都朝着它那一点的主光线：502 个装机器人，12 个装发蓝光的基准点。十片一共 5 020 个机器人。
06十片花瓣 ↑- DESI 的光纤机器人是怎样移动的？
它的前端有两根转轴：中心的 θ 轴转动整个头部，离中心约 3 毫米的 φ 轴再转一条约 3 毫米长的臂，臂的末端夹着光纤。光纤能走到一个直径 12 毫米的圆里的任一点。
07一个机器人，两条臂 ↑- 重子声学振荡（BAO）是什么？
早期的宇宙是一团炽热的等离子体，里面传着声波。到红移约 1060，光子不再拖着普通物质走，声波停住，留下一个固定的距离：约 147 百万秒差距（Mpc），约 4.8 亿光年。这叫重子声学振荡，简称 BAO。
02冻在星系里的尺子 ↑- DESI 换一片天要多久？
曝光一结束，望远镜转向下一片天，5 020 个机器人一起把光纤挪到新的星系上。真正在动的只有 8 到 12 秒；再加上算防撞路线、传指令和检查位置，两次曝光之间约 2 分钟，最快 118 秒。
08两分钟换一片天 ↑- DESI 的暗能量结果算发现吗？
后来暗能量巡天（DES）重新校准了它的超新星，那一组从 4.2σ 降到 3.2σ。物理学里“发现”要到 5σ；现在是一个迹象，还不是结论。
12暗能量在变吗 ↑
资料来源
- DESI 合作组（2022）：Overview of the Instrumentation for the Dark Energy Spectroscopic Instrument，AJ 164, 207（六片透镜和各自的大小；3.2° 视场、约 8 平方度；5 020 个机器人；光纤 107 微米、约 1.5″；电缆 47.5 米；十台光谱仪、三段波长；1 000 秒曝光、约 2 分钟换场；光纤视场相机）
- Silber 等（2023）：The Robotic Multiobject Focal Plane System of the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)，AJ 165, 9（十片 36° 花瓣，每片 514 个孔；机器人 ⌀8.3 毫米、约 29 厘米；两条约 3 毫米的臂、12 毫米的巡游圆；最近 10.4 毫米；337 : 1 的 4 毫米电机；移动 8–12 秒；误差 6–9 微米）
- Miller 等（2023）：The Optical Corrector for the Dark Energy Spectroscopic Instrument，arXiv:2306.06310（每片透镜的直径、厚度、质量和建成后的间距；C1 到焦面 2.43 米；大气色散校正器；顶端 10 700 千克）
- DESI 合作组（2024）：DESI 2024 VI: Cosmological Constraints from the Measurements of Baryon Acoustic Oscillations，arXiv:2404.03002（第一年：600 多万个星系和类星体；与 CMB、超新星合起来 2.5σ–3.9σ）
- DESI 合作组（2025）：DESI DR2 Results II: Measurements of Baryon Acoustic Oscillations and Cosmological Constraints，arXiv:2503.14738（三年：1 400 多万个；表 IV 的 BAO 数据；只用 DESI 1.7σ，加 CMB 3.1σ，再加超新星 2.8σ–4.2σ；r_d 的定义，z_d ≈ 1060）
- DESI 合作组（2025）：Data Release 1 of the Dark Energy Spectroscopic Instrument，arXiv:2503.14745
- Eisenstein 等（2005）：Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies，ApJ 633, 560（46 748 个星系；3.4σ）
- DES 合作组（2025–2026）：DES-Dovekie 超新星重新校准，arXiv:2511.07517（与 DESI DR2、CMB 合起来 3.2σ，原来是 4.2σ）
- 伯克利实验室（2024）：DESI 第一年结果的新闻稿（精度好于 1 %）
- 伯克利实验室（2025）：New DESI results strengthen hints that dark energy may evolve（还没有到 5σ）
- DESI 网站与伯克利实验室（2026 年 4 月）：五年巡天完成（4 700 多万个星系和类星体；延长到 2028 年）
- DESI 网站：The DESI Survey（莱曼-α 森林）
- NOIRLab：DESI Petal Installation（照片，KPNO/NOIRLab/NSF/AURA，CC BY 4.0，作参考）
数据
The instrument follows the DESI Collaboration’s published descriptions and drawings: the instrument overview (AJ 164, 207, 2022), the focal-plane paper (Silber et al., AJ 165, 9, 2023) and the corrector paper (Miller et al., arXiv:2306.06310), with photographs by KPNO/NOIRLab/NSF/AURA (CC BY 4.0) as reference. The lens spacings, diameters and thicknesses are the as-built prescription; the lens curvatures, the barrel’s walls, the cage, the enclosure and the spectrograph benches are read off drawings and photographs, and the notes list what is simplified. The BAO points are DESI DR2’s (arXiv:2503.14738, Table IV). The distances, the fits and the laboratory are computed by this page (src/topics/desi/science.js, tests/desi.test.js) from the formulas quoted in its sources; the laboratory is this page’s model, not DESI’s likelihood. The dots on the map plaque are this page’s own schematic points, not DESI’s catalogue. Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).
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引用这幅图版
拉普拉斯的迷你世界，图版 F69《测量暗能量》，https://world.lapla.si/zh/desi/，CC BY-NC 4.0，2026-11-05 更新。
沿这个问题继续
图版 F63最大的数码相机智利帕穹山上的鲁宾天文台用 LSST 相机做十年巡天。它直径 1.65 米、长 3.73 米、约 3 吨，是最大的数码相机：三片透镜后面是 189 块 CCD，共 32 亿像素，冷到零下一百多度。每次曝光 30 秒，每夜约 700 次，十年里把南天的每片天区拍约 800 次，天上有了变化，一分钟内就发出警报。
图版 F48暗物质探测地下约 1.5 公里的一罐液氙，等一个暗物质粒子撞上氙原子核：美国南达科他州的 LZ 探测器。
