[비즈한국] 最近BODA YouTube頻道上傳了一段有趣的影片。這是對備受尊敬的韓國天文學家李英旭（Lee Young-wook）教授的專訪。李英旭教授的研究團隊最近提出了一個脫離現有宇宙學模型的新見解。他們主張，宇宙膨脹不僅沒有加速，反而已經進入了膨脹速度逐漸放緩的“減速膨脹”時期。而且，多種獨立的觀測結果都一致指向這個減速膨脹的宇宙模型！未來我們宇宙的命運究竟會如何呢？
宇宙正在膨脹。自138億年前宇宙誕生以來，它一直保持著膨脹。這一點所有天文學家都沒有異議。但在細節上，觀點卻出現了分歧。目前主要分為三種意見：一種認為膨脹速度保持恆定，一種認為膨脹越來越快，還有一種則認為正在變慢。
談及當今宇宙的命運，最重要的目標是超新星。超新星雖然只是單顆恆星的爆炸，但其亮度足以媲美彙集了數千億、數萬億顆恆星的整個星系。因為即使距離遙遠也能被清晰觀測到，它們成為了觀測遙遠宇宙的最佳燈塔。
此外，傳統觀點一直認為Ia型超新星（Type Ia Supernova）在達到最大亮度時的峰值幾乎是恆定的。Ia型超新星是指光譜中不出現明顯氫特徵的一類超新星，這是因為作為白矮星，其氫元素早已耗盡。已知白矮星當質量超過被稱為“錢德拉塞卡極限”的特定閾值時就會發生爆炸。過去人們認為這個極限質量始終不變，因此Ia型超新星可以作為橫跨宇宙歷史、在任何時間地點爆炸都保持相同亮度的“標準燭光”。既然知道遙遠宇宙中超新星爆炸時的理論最大亮度，就可以透過它簡單地計算出該星系到地球的距離。
然而，現實並非如此簡單。Ia型超新星的爆炸機制多種多樣。典型的例子包括：白矮星從旁邊的伴星奪取物質，或兩顆白矮星相互碰撞。前者被稱為單簡併（Single Degeneracy, SD）超新星，後者被稱為雙簡併（Double Degeneracy, DD）超新星。
此外，白矮星內部鎳等金屬含量的多寡，也會顯著影響爆炸瞬間的最大亮度。因為富含電子的金屬元素會吸收光線，增加所謂的不透明度，從而使天體亮度顯得更暗。
由於Ia型超新星的起源和環境差異很大，僅僅假設其最大亮度恆定並將其作為標準燭光，是一種相當粗糙的假設。特別是隨著宇宙演化，遍佈宇宙的星系、恆星的化學成分和金屬含量也在發生變化，因此超新星的亮度完全可能隨星系和恆星的年齡而異。
早在20世紀80年代，就有少數天文學家提出，為了將Ia型超新星用作標準燭光，必須仔細考慮這種隨年齡產生的偏差。代表人物有比阿特麗斯·廷斯利（Beatrice Tinsley）。遙遠的星系代表了大爆炸後的初期宇宙，而越靠近我們的星系，則混雜了後期誕生的老年星系。在早期的年輕星系中，相比Ia型超新星，更多出現的是大質量恆星自行坍縮引發的II型超新星。此外，能爆發多少Ia型超新星，還取決於母星系中恆星的年齡分佈，以及恆星經歷演化成為超新星所需的延遲時間。
這種超新星亮度的“年齡偏差”會使相對年輕（遙遠）星系中爆發的超新星看起來更暗。如果不能對此進行正確校準，就會誤判為“因為遙遠的星系比預期更遠，所以超新星看起來才更暗”。這進而導致了“宇宙膨脹正在加速，使得星系距離比預期更遠”的結論。
事實上，1998年亞當·里斯（Adam Riess）、布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）的研究團隊正是透過這種方式得出了宇宙正在加速膨脹的結論。從此，那種能克服引力、推動宇宙加速膨脹的未知能量——“暗能量”，成為了天文學界最熱門的難題。至今，暗能量的本質仍未被揭開，甚至連合適的候選者都沒有。
5年前，李英旭教授團隊基於實際觀測資料，驗證了廷斯利所擔憂的“隨年齡變化的超新星光度演化效應”。研究結果顯示，隨著星系年齡的不同，超新星的亮度確實會發生變化，越年輕的星系中，超新星看起來確實應該越暗！在對這種隨年齡變化的演化效應進行校準後，他們再次核查宇宙膨脹速度的變化，結果發現，與已知結論不同，加速膨脹的效應完全消失了。
當時，這一主張在學術界並未得到廣泛認可，主要原因在於其他觀測證據似乎都在支援加速膨脹模型。但現在情況不同了，最新的補充論文表明，近幾年出現的其他獨立觀測結果，反而更支援宇宙正在進行“減速膨脹”而非加速膨脹的模型。
在這項後續研究中，李英旭教授團隊積極利用了DESI資料。該專案的命名本身就包含了探尋暗能量本質的抱負。該觀測專案採用的測量宇宙距離的標尺並非超新星，而是“重子聲波振盪”（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）。
宇宙初期處於等離子體狀態。以密度略高的點為中心，波動像聲波一樣在等離子體中傳播。隨著宇宙膨脹和冷卻，等離子體最終凍結，當時向四面八方擴散的原始宇宙聲波也隨之凍結。這些凍結的波形成了密度較高的區域，星系便圍繞這些區域誕生。因此，觀察當前的宇宙大尺度結構，星系並非隨機分佈，而是以當時初始宇宙聲波的振盪尺度為間隔排列。這就是被鐫刻在宇宙大尺度結構中的原始振盪遺蹟——重子聲波振盪。
重子聲波振盪無論在宇宙的哪個階段都應保持相同的尺度。如果說Ia型超新星是人們期待的亮度恆定的“標準燭光”，那麼重子聲波振盪就是大小恆定的“標準尺”。
去年，DESI團隊透過分析重子聲波振盪，展示了一個有趣的可能：暗能量不是常數，而是隨時間變化的數值。長期以來，暗能量被認為是愛因斯坦所說的“宇宙常數”。儘管宇宙膨脹體積變大，但暗能量密度應該始終保持不變。這看起來就像是在不斷往宇宙中新增新的暗能量，因此也被稱為“幽靈能量”，意為不知道從何而來的神秘能量。但去年DESI團隊的結果顯示，隨著時間推移，暗能量正在減弱。
不過，該結果並未推匯出宇宙正在減速膨脹。它只是表明相對於初期，暗能量的強度正在逐漸變弱。用汽車做比喻，就像雖然腳還在油門上，但踩油門的力度減輕了。
然而，李英旭教授團隊的新研究更進一步。透過精確應用隨年齡變化的超新星光度演化模型，結果顯示，現在的宇宙不僅是減輕了油門力度，看起來簡直就像是在踩剎車！也就是說，宇宙已經進入了減速膨脹階段。更有趣的是，其實DESI團隊也發現了同樣的結果。
只是他們去年的結論並非僅僅基於重子聲波振盪的分析。他們混合了現有的（未考慮年齡光度演化）超新星資料進行綜合計算。如果DESI團隊從一開始只使用純粹的重子聲波振盪結果，他們本可以得出減速膨脹的結論。但由於混合了未考慮光度演化效應的現有超新星資料取平均值，最終得出了“暗能量似乎有所減弱”這種較為保守的結論。
李英旭教授團隊排除了現有的超新星資料，純粹地與DESI團隊的重子聲波振盪結果進行了對比。結果令人震驚：考慮了隨年齡變化的超新星光度演化效應後的新結果，與純粹的重子聲波振盪結果完全吻合。宇宙微波背景輻射也指向同一個模型。三種獨立的宇宙學觀測方式竟指向同一模型，這是一個驚人的發現。
這一結論並不意味著完全沒有暗能量，而是意味著我們曾認為的“隨宇宙膨脹保持密度恆定的簡單常數”——暗能量，實際上是一個隨時間發生劇烈變化的詭異存在。這就像水經歷固態、液態、氣態的變化一樣，暗能量的狀態方程本身就在發生改變。在大爆炸初期，它表現得像“幽靈能量”；隨後一度表現得像“宇宙常數”；而現在，它又以逐漸減弱的奇怪方式運作。要準確描述李英旭教授團隊的結果，不應像常被誤解的那樣說“沒有暗能量”，而應說“不存在宇宙常數，暗能量是一個隨時間千變萬化的存在”。
在BODA專訪中，李英旭教授表示，目前還無法確知這最終會導向什麼結局。但他指出，這證明了暗能量並非預想中簡單的宇宙常數，而是完全不同的概念。他認為這一發現將成為通向未來完全不同宇宙模型的重要基石。
宇宙在演化，人類對宇宙的認知也在隨之演化。曾幾何時，人們認為宇宙會永遠保持靜止；後來發現它在快速膨脹，再後來又認為膨脹正在加速。如今，新的可能性再次開啟：膨脹或許正在放緩。宇宙學尚未完結，未來也不會完結。我們深知無法徹底抵達真理，但我們正不懈地努力，一點一點地向真理靠近。
關於暗能量和宇宙加速膨脹的現行宇宙學，究竟會迎來怎樣的命運？如果暗能量隨時間變化，原因何在？未來宇宙的命運如何？就像時刻變化的暗能量一樣，宇宙本身的命運似乎也難以捉摸。
參考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab5afc
https://academic.oup.com/mnras/article/544/1/975/8281988
作者 池雄培（Ji Woong-bae）是誰？他熱愛貓與宇宙。童年因觀看《銀河鐵道999》而夢想向世人傳達宇宙之美。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，積極從事講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《每日一片宇宙》、《繁星璀璨的宇宙科學家們》、《無法抵達但可知曉》、《面對宇宙會想到的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《給真正航行宇宙的搭便車者的指南》、《我為何殺了冥王星》、《量子生活》、《Cosmigraphics》等作品。