[비즈한국] 無論看向哪個方向，宇宙都是一樣的；無論從哪個位置觀察，宇宙也是一樣的。這被稱為宇宙的各向同性與均勻性。這兩個概念是當今現代天文學最根本的立足點。當然，宇宙各地存在著星團和星系聚集的區域。星系也以星系團的形式成群生活。儘管存在星系密度比周圍更高的超星系團和細絲狀結構，但也存在星系密度遠低於周圍、空無一物的“空洞”（Void）。
然而，這些都只是區域性層面的不均勻。天文學家們一直認為，在宇宙的宏大尺度上，這些細微的不均勻性都會被稀釋。也就是說，宇宙在任何地方都是相同、一致且公平的。雖然從區域性看似乎存在物質多寡的密度差異，但從整個宇宙來看，它實際上是均勻的。人們曾認為，這個“大前提”絕不可能動搖。
但最近，一些天文學家向這一大前提發起了挑戰。也許我們的宇宙並不是一個均勻的世界。宇宙大尺度結構中的細絲和空洞，或許是宇宙宏大尺度也無法抹平的、相當顯著的不均勻性。這種不再將宇宙視為均勻世界的觀點被稱為“時間景觀（Timescape）”假說。
這個假說真的僅僅是有趣的數學遊戲嗎？還是說，它是解決當代天文學難題的一把新鑰匙？
宇宙中仍有許多我們尚未完全理解的謎團，最典型的就是暗能量。從20世紀90年代末開始，天文學家透過觀測距離越來越遠的超新星，掌握了宇宙從過去到現在膨脹率的變化過程。研究得出結論：越靠近現在，宇宙的膨脹速度越快，即正在經歷加速膨脹。為了解釋這一觀測結果，必須假設存在一種能夠對抗試圖讓宇宙收縮的引力、即“反引力”的能量。最終，人們得出結論認為一種名為“暗能量”的未知能量支配著宇宙，但其真面目至今仍未揭開。
主張不再將宇宙視為均勻世界的“時間景觀”假說認為，暗能量實際上可能是一個幻象。即它根本不是我們需要去糾結本質的東西，僅僅是觀測上的誤解。有觀點指出，比起現有的基於暗能量的標準模型，利用“時間景觀”假說的替代模型反而能更好地吻合迄今為止的超新星觀測結果。難道暗能量只是因為我們對宇宙的錯誤期待而產生的巨大錯覺嗎？
為了判斷隨著時間流逝宇宙的膨脹是越來越快還是越來越慢，必須觀測從代表過去的最遙遠宇宙到相對近的宇宙中，處於不同距離的星系。特別是代表遙遠過去宇宙的遠方星系非常暗淡。在觀測遠方星系時，超新星非常有用。因為它們爆炸時極其明亮，瞬間釋放出的能量相當於太陽100億年生命週期內所釋放能量的總和。
在各類超新星中，Ia型超新星尤為重要。已知這類超新星是演化早已結束的白矮星突破極限後再次爆炸產生的。Ia型超新星的爆炸方式主要有兩種：一種是白矮星從旁邊的普通主序星或紅巨星吸收物質，最終引發爆炸；另一種是兩顆白矮星相互碰撞而爆炸。
雖然一直有懷疑認為根據方式不同，爆炸持續的時間或最大亮度可能會有所差異，但傳統上認為這兩種方式的爆炸閃光，其最大亮度是相似的。也就是說，只要Ia型超新星發生爆炸，就可以估算出其實際亮度。這就是為什麼它們被視為“標準燭光”——即在不知道距離的情況下，透過求得實際亮度來推算出距離。因此，Ia型超新星被用作測量遙遠星系距離的標尺。
然而，超新星無法預知何時何地發生。我們總是只能在爆炸發生後，觀察那漸漸熄滅的餘火。因此，從20世紀90年代開始，天文學家組建了覆蓋全球的望遠鏡網路，開始“狩獵”超新星——透過儘可能週期性地持續觀測同一方向的星空，自動尋找超新星閃光。透過這種方式，1998年首次收集了多達40顆Ia型超新星的觀測資料。正是在這裡，發現了宇宙隨著時間推移，膨脹速度越來越快的證據。
這是一個令人震驚的結果。但僅分析40顆超新星是不夠的。此後，開展了多種專門獵捕超新星的大規模觀測專案。其中最典型的是“萬神殿（Pantheon）”專案。萬神殿團隊於2018年公佈了首次觀測資料，隨後在2022年完善了升級版的“Pantheon+”資料，提供了總計1500顆Ia型超新星的觀測資料。大幅增加的超新星觀測資料似乎以更小的誤差支援了現有的加速膨脹假說。
當今的天文學推測宇宙由25%的暗物質和70%的暗能量組成。剩下的僅4~5%是由我們透過光可以看到的原子組成。然而，這一推測的前提是“宇宙在宏觀尺度上是均勻的”。如果這一前提本身就是錯誤的，那麼對宇宙的所有預測都可能發生巨大改變。
看看宇宙的大尺度結構。根據區域不同，存在星系高度密集的超星系團和細絲，也存在幾乎沒有星系的空洞。空洞的引力較弱。因此，它比密度更高的其他區域膨脹得更快。如果光穿過空洞飛行，由於該處的膨脹比其他地方更劇烈，光的波長也會被拉得更長。這會讓它看起來經歷了更大的紅移。
另一方面，引力的差異也會影響時間的流逝速度。根據愛因斯坦的相對論，在引力強的地方，時間流逝得更慢。與空洞相比，充滿星系的超星系團引力更強，因此時間流逝可能更慢。我們生活在星系相對聚集的星系團一隅。因此，我們可能會感知到時間流逝得比宇宙平均水平要慢一些。相反，在幾乎沒有星系的空洞中，時間將會流逝得更快。
如果宇宙大尺度結構的密度差異大到在宏觀視角下也不可忽視的程度，情況就會完全不同。由於各地引力差異導致的膨脹率差異，以及時間延遲的差異，可能會產生複合影響。生活在高密度星系團中的我們，在觀察穿過空洞飛來的光時，可能會產生一種錯覺，即認為宇宙現在的膨脹率比過去更高，正在加速膨脹。也就是說，這可能會讓宇宙看起來比實際膨脹得更快。
將認為暗能量支配宇宙加速膨脹的現有標準ΛCDM模型，與主張需要更積極反映宇宙不均勻性的“時間景觀”模型進行對比，看看哪種模型能更好地解釋Pantheon+超新星觀測資料，結果非常有趣。
上圖比較了根據Pantheon+觀測資料確定的超新星距離，哪種模型能更好地描述觀測結果。黑線是實際超新星觀測資料的趨勢。線條越接近上方的藍色區域，意味著越符合“時間景觀”模型；越接近下方紅色區域，則越傾向於現有的ΛCDM模型。
雖然誤差仍然很大，但總體而言，實際觀測資料（黑線）更接近上方的藍色區域。比起現有的ΛCDM模型，“時間景觀”模型反而能稍微更好地解釋觀測結果。特別是在紅移較小、距離較近的超新星中，差異更為顯著。
超新星觀測資料雖有用，但數量仍然不足。因此，很難斷定誰對誰錯。不過有趣的事實是，單純依靠現有的標準模型，已經無法簡單解決大大小小的問題，這些問題正在累積。就在幾年前，天文學家們還試圖在不觸動大框架的情況下，透過微調假設和修正值來延長標準模型的壽命。但現在，天文學家們變得更加激進和勇敢了。他們甚至開始對“宏觀視角下宇宙密度整體平坦”這一現代天文學最根本的前提條件提出了質疑。
“時間景觀”模型主張，不應忽視由宇宙大大小小密度差異引起的引力效應。它指出宇宙並不像我們想象的那樣平坦或均勻，而是一個非常複雜的世界。或許，我們需要以比過去更細膩的方式來對待宇宙。
參考
https://academic.oup.com/mnrasl/article/537/1/L55/7926647
https://academic.oup.com/mnras/article/533/3/2615/7737665
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac8b7a
作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？他熱愛貓和宇宙。小時候看了《銀河鐵道999》後，立志要將宇宙的美麗傳播給世人。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過星系相互作用產生的演化，並進行講座、撰稿等各種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星星，光的科學）等書。