暗能量不存在？科學家提出對宇宙膨脹的徹底反思

（圖片由 Lia Koltyrina 在 Shutterstock 上提供）

紐西蘭基督城 —暗能量一直是現代物理學最成功的佔位符，它是一種理論力量，旨在解釋為什麼星系似乎以越來越快的速度相互遠離。現在，在分析了 1500 多顆爆炸恆星發出的光後，研究人員得出了一個驚人的結論：這種神秘的力量可能根本不存在。相反，答案可能在於時間本身如何在宇宙景觀中以不同的方式流動。

雖然不能完全否定其存在暗能量，這項研究為另一種可能重塑基本宇宙學的解釋提供了令人信服的證據。

暗能量的概念可以追溯到20世紀初。 1917 年，阿爾伯特愛因斯坦在他的廣義相對論方程式中加入了一個名為「宇宙常數」的術語，本質上提出了一種可以防止宇宙在自身引力作用下塌縮的力。當 Edwin Hubble 在 1920 年代末發現宇宙實際上正在擴大，愛因斯坦放棄了這個想法，據報道他後來稱這是他的“最大的錯誤”。

但在 1998 年，兩個獨立的天文學家小組在研究遙遠的超新星時取得了令人震驚的發現。他們發現，非常遙遠的星系似乎遠離我們的速度比已知物理定律預測的速度要快，這表明宇宙的膨脹正在神秘地加速，而不是像預期的那樣減慢。

為了解釋這令人費解的觀察結果，物理學家以一種新的形式復活了愛因斯坦的宇宙學常數——暗能量，這是一種對抗重力的假想力，將宇宙推開。據計算，這種神秘能量約佔宇宙總能量的 68%，使正常物質的貢獻 (5%) 和暗物質(27%)。

發現這種明顯加速的科學家索爾·珀爾穆特(Saul Perlmutter)、布萊恩·施密特(Brian Schmidt) 和亞當·里斯(Adam Riess) 因其工作而榮獲2011 年諾貝爾物理學獎，儘管暗能量的基本性質仍然未知。在科學史的一個諷刺性轉折中，愛因斯坦所拒絕的宇宙常數變成了現代宇宙論的基石。

在這項最新研究中，紐西蘭坎特伯雷大學的一組研究人員提出了另一種解釋，可能完全消除對暗能量的需求。

他們的理論被稱為“時間景觀宇宙學”，表明我們所感知的宇宙加速實際上可能是由於我們如何測量和解釋宇宙距離而產生的。這種新觀點考慮到了標準模型很大程度上忽略的一些東西：宇宙並不像湯一樣光滑，而是“塊狀”，星系聚集在一起，並被巨大的空洞分開。

該研究發表於英國皇家天文學會每月通知，分析了 Pantheon+ 目錄中的數據，其中包含 1,690 個超新星觀測結果，代表 1,535 次獨特的恆星爆炸。這些超新星充當宇宙“標準蠟燭”，使天文學家能夠測量太空中的廣闊距離。該團隊開發了專門設計的新統計方法，以避免與傳統宇宙學模型相關的假設。

現代宇宙學在很大程度上依賴愛因斯坦的理論廣義相對論並假設空間在大尺度上是均勻分佈的。然而，任何看過強大望遠鏡照片的人都知道，我們宇宙中的物質實際上聚集在一個由星系和空隙組成的宇宙網中。時景理論考慮到了這種固有的塊狀性，提出這些結構變化會影響我們感知宇宙距離和時間本身的方式。

時間景觀宇宙學並沒有假設整個空間的均勻膨脹，而是認為宇宙的不同區域以不同的速率膨脹。想像一下宇宙景觀，其中星系豐富的區域所經歷的時間和空間與它們之間巨大的空虛不同。當從我們在宇宙中的特定有利位置觀察時，這種不同的膨脹率可能會產生加速的錯覺。

透過分析來自遙遠的超新星研究人員使用複雜的統計方法找到了支持這種替代觀點的證據。他們的分析揭示了數據中的模式比標準模型更符合時間景觀預測，特別是在某些宇宙距離上。

最有趣的是，該研究確定了一個特定的尺度——大約相當於「巨吸引子」等宇宙結構的 75%——宇宙開始顯示出統計同質性的跡象。這個尺度比之前想像的更大，可能代表了宇宙結構如何影響我們的測量的一個基本轉變點。

這項研究之所以特別及時，是因為它有可能解決「哈伯張力」——測量宇宙膨脹率的不同方法之間的顯著差異。暗能量光譜儀（DESI）最近的觀測結果表明，標準宇宙學模型並不像先前想像的那樣符合觀測結果，特別是在考慮暗能量如何隨時間演化時。

時間景觀宇宙學的影響是深遠的。根據研究小組的說法，在我們的房間裡放置了一個時鐘銀河系比放置在星系之間巨大宇宙空隙中的相同時鐘慢約 35%。在數十億年的時間裡，這種時間差將導致空白區域的空間更大的膨脹，當這些巨大的空白區域主宰宇宙體積時，就會產生在我們看來加速膨脹的現象。

「我們的研究結果表明，我們不需要暗能量來解釋為什麼宇宙似乎在加速膨脹。暗能量是對膨脹動能變化的錯誤認識，在我們實際生活的宇宙中，膨脹動能的變化並不均勻，」領導這項研究的戴維·威爾特希爾教授在一份聲明中解釋道。

威爾特郡繼續說道：“這項研究提供了令人信服的證據，可能會解決有關我們不斷膨脹的宇宙怪癖的一些關鍵問題。” 「有了新數據，宇宙最大的謎團可能會在本世紀末得到解決。

展望未來，包括歐幾里德太空望遠鏡和維拉·C·魯賓天文台在內的幾個重大天文項目將提供前所未有的大量數據來進一步檢驗這些想法。這些觀察結果可以明確地確定時間景觀宇宙學是否真正比標準模型更好地描述了我們的宇宙。

歐洲太空總署於 2023 年 7 月發射的歐幾里德衛星和即將發射的南希·格雷斯·羅馬太空望遠鏡對於收集新數據至關重要。威爾特郡教授表示，“有了新數據，宇宙最大的謎團可能會在本世紀末得到解答。”然而，測試這些相互競爭的理論將需要至少 1,000 次高品質的超新星觀測。

雖然這項研究並不能最終解決有關宇宙膨脹的所有問題，但它提供了一種令人信服的暗能量替代方案，與愛因斯坦的廣義相對論和我們對宇宙結構的觀察相一致。隨著新望遠鏡和調查提供更多數據，我們可能會發現現代宇宙學中最大的謎團不是宇宙加速膨脹的原因，而是我們的宇宙如何加速膨脹。時間和空間的感知宇宙尺度上的變化會影響我們對這種膨脹的測量。

論文摘要

方法論

研究小組分析了 Pantheon+ 表，其中包含 1,690 個超新星觀測結果，代表 1,535 個獨特的超新星。他們開發了一個新的統計框架，專門避免了與標準 Lambda 冷暗物質 (ΛCDM) 模型相關的假設。一個關鍵的創新是他們對資料協方差矩陣的處理——他們將其重建為盡可能獨立於宇宙學模型假設，特別是與特殊速度相關的假設。這使得時間景觀宇宙學和標準模型之間可以進行更公平的比較。該團隊還引入了新的統計方法來完善 Ia 型超新星光曲線分析，特別關注影響亮度測量的參數。

主要結果

分析揭示了幾個關鍵發現。該團隊確定了紅移為 0.075 的“統計同質性規模”，明顯大於先前的估計。在分析貝葉斯證據時，他們發現對於資料的某些子樣本，時間景觀宇宙學比 ΛCDM 提供了更好的資料整體擬合。重要的是，當檢查超出這種同質性範圍的數據時，結果顯示出與時間景觀預測一致的一致模式。研究發現，對時間景觀的統計支持程度不同，取決於分析的資料子集，有些子集顯示出支持時間景觀的有力證據，而其他子集則顯示出較為溫和的支持。

研究局限性

首先，分析不能包括超新星研究中通常使用的某些偏差校正，因為這些校正假設標準的 ΛCDM 框架。由於統計限制，團隊還必須從分析中排除 15 顆超新星。此外，研究指出，他們對完整樣本的研究結果顯示出與較小子樣本不同的結果，這表明可能存在選擇效應，需要進一步研究。研究也承認，雖然他們的結果挑戰了暗能量的必要性，但他們並沒有明確排除這種可能性。

討論與要點

這項研究顯示我們理解宇宙膨脹的方式可能發生範式轉移。觀測到的加速度可能不是需要神秘的暗能量，而是來自我們如何測量不同空間區域的宇宙距離和時間。這項研究為哈伯張力和其他宇宙學難題提供了可能的解決方案。然而，該團隊強調，最終的確認需要即將進行的調查的更多數據。他們的工作也強調了檢查宇宙學模型中基本假設的重要性，特別是關於我們如何對宇宙結構進行平均的假設。

資金和披露

該研究得到了由紐西蘭皇家學會 Te Aparangi 管理的馬斯登基金會的資助，撥款金額為 M1271 和 M1255。其他支持來自盧瑟福基金會博士後獎學金和德國學術交流服務。研究人員宣稱不存在競爭利益。該研究得益於與 Pantheon+ 團隊的合作，他們提供了有關實施細節的基本數據和回饋。