[비즈한국] 宇宙正在膨脹。極遙遠的星系正遠離我們而去。大體上，星系越遠，遠離的速度越快。到目前為止，這是誰都不懷疑的事實。然而，近期宇宙學爭論的焦點轉移到了其他地方。
宇宙的膨脹是在加速，還是加速的程度正在減弱，甚至可能已經轉為減速了呢？
用汽車作比喻，就是問宇宙現在是在踩油門，還是正在逐漸鬆開油門，又或者已經開始踩下剎車了。
這個問題不僅限於預測宇宙的未來，更是關於被認為佔當前整個宇宙能量約70%的“暗能量”實體的爭論。問題已經變成了：暗能量是否真的存在？如果存在，它在時間流逝中是保持恆定，還是在隨時間減少或增加？
這個宏大的故事始於1998年。當時，兩個研究小組觀測到了極遠宇宙中爆發的Ia型超新星。一個是由索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）領導的團隊，另一個是由布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和亞當·里斯（Adam Riess）領導的團隊。他們原本想確認的是宇宙膨脹因引力作用“變慢”的程度。起初，他們開展研究的目的是確認“減速膨脹”，而非加速膨脹。
宇宙中充斥著物質。物質透過引力相互吸引，因此大爆炸後即便宇宙在膨脹，物質的引力也應該像剎車一樣，使宇宙膨脹變得越來越慢。這才是更自然的推測。然而，兩個團隊都觀測到了截然相反的結果。里斯研究小組分析的遙遠超新星比在沒有暗能量的低密度宇宙預期值中看起來平均要遠約10~15%。珀爾馬特研究小組也利用42個高紅移超新星得出了類似的結論。遙遠的超新星看起來比預期更暗，被解釋為它們比預期更遠。這意味著從過去某個時間點開始，宇宙膨脹得比預期更快，以至於它們脫離得更遠。於是，這兩個團隊分別得出結論：宇宙的膨脹速度非但沒有減慢，反而正在加速。
憑藉這一發現，珀爾馬特、施密特和里斯獲得了2011年諾貝爾物理學獎。問題隨之而來：到底是什麼在使宇宙加速膨脹？
在廣義相對論中，宇宙的加速並非僅憑能量充足就能輕易發生。通常物質和輻射透過引力使宇宙膨脹減速。若要使宇宙膨脹加速，則需要某種密度為正，但具有負壓力的奇怪物質。若以宇宙學狀態方程表示，宇宙加速或減速取決於能量密度(ρ)與壓力(P)的結合方式，即ρ+3P/c^2。宇宙要加速，該值必須為負。只有壓力小於能量密度的負三分之一時，宇宙才能加速膨脹。天文學家將這種難以理解的奇異成分稱為“暗能量”。
最懶惰且省心的解釋是“宇宙學常數”，即認為真空本身擁有能量。在這種情況下，暗能量具有完美的負壓力，其狀態方程為-1。這就創造了一種即便空間增大，密度也不會減少或變化的奇特狀態。但這僅僅是數學描述，並未證實其本質。我們依然對暗能量的性質及其是否真實存在一無所知。簡單假設真空能量就是暗能量，反而會產生多到驚人的暗能量，遠遠超過解釋宇宙所需水平。這並非答案。
然而，當時超新星研究小組的發現有一個重要前提，即我們準確地知道Ia型超新星的亮度。Ia型超新星是含有白矮星的恆星系統中發生熱核爆發的結果。白矮星是太陽質量級別的恆星在耗盡壽命後留下的殘骸。它是將太陽級別的質量壓縮到地球大小的高密度天體。若白矮星並非孤身一人，而是帶有伴星，它會掠奪伴星物質而再次變重。人們認為，當白矮星超過“錢德拉塞卡極限”（即太陽質量的1.4倍）時，超新星爆發就會發生。
但現在，Ia型超新星的爆發機制變得更復雜、更多樣。除了白矮星與普通恆星組成的雙星系統外，還有多種爆發方式。當兩顆白矮星碰撞時，也會出現光譜特徵相似的Ia型超新星爆發。這種情況下，白矮星表面的火種可能在低於錢德拉塞卡極限的質量下就引發爆發。目前尚未掌握宇宙中各種爆發方式的比例。因此，將Ia型超新星視為亮度恆定的完美“標準燭光”可能是一個錯誤的前提。
不過，透過測量爆發後亮度的衰減速度以及顏色的偏紅程度，可以對超新星的原始亮度進行一定程度的校正。通常，更亮的超新星在達到最大亮度後變暗的速度更慢。這被稱為超新星光度曲線寬度與光度的關係。天文學家羅伯特·特里普（Robert Tripp）制定了一種透過超新星亮度變化模式來標準化的技術，至今許多研究仍在使用特里普的校正方程來標準化超新星。
但即便經過這些校正，微小的差異依然存在。最具代表性的就是所謂的“超新星質量階梯”（mass step）。簡單來說，就是根據超新星所在星系的質量，即便經過標準化，超新星的亮度仍存在細微差異。通常，在大質量星系爆發的超新星與小質量星系爆發的超新星之間，存在百分之幾星等的細微差別。這種差異是因為星系質量本身，還是因為隨質量變化的星系金屬丰度、遮擋光線的塵埃或恆星形成效率所致，尚不明確。近期的爭論正是源於此。
如果“質量階梯”的原因源於星系或超新星爆發前恆星（前身星）的年齡，會發生什麼呢？如果由老恆星產生的白矮星和由年輕恆星產生的白矮星在爆發時的亮度在標準化後仍存在本質差異，那麼我們在觀測遙遠宇宙時可能會產生嚴重的偏差。觀察遙遠的星系意味著觀察更遙遠過去的宇宙，也就是回溯到宇宙更年輕的時代。鄰近宇宙的超新星樣本中相對古老的星系較多，而越往遙遠宇宙看，年輕的星系就越多。如果在年輕宇宙中爆發的Ia型超新星在經過標準化校正後實際上更暗，我們可能會產生“因為超新星更遠所以看起來更暗”的錯覺。
如果是這樣，認為“宇宙膨脹速度比預期更快”的“加速膨脹”發現本身就會動搖。這可能僅僅是因為隨星系和恆星年齡產生的超新星固有亮度差異而導致的致命錯覺。
2025年，延世大學的研究小組報告稱，經過標準化的超新星亮度與母天體年齡之間存在最高達5.5σ（西格瑪）的相關性。母天體每相差約10億年，亮度就有0.03星等的差異。在年輕恆星群中爆發的超新星，即使在標準化後也傾向於看起來更暗。如果極端地比較近宇宙和遠宇宙，超新星母天體的年齡可能相差50億至60億年以上。考慮到這種差異，遙遠超新星的亮度可能會看起來更暗約0.16星等。這個數字看起來可能微不足道，但在宇宙學中，這是絕不可忽視的差異。
隨後，在後續研究中，他們對這一年齡偏差進行了額外校正，並結合了近期完成的宇宙微波背景輻射以及DESI龐大的星系分佈地圖資料。結果顯示，這與假設有暗能量的現有標準宇宙模型完全不符。這種差異竟然達到了9σ級別。反之，表示宇宙膨脹減速/加速的引數q_0得出了大於0的約0.092。如果該值為正，則意味著宇宙正在進行減速膨脹。當然，儘管誤差依然很大，但僅從數值上看，這是一個足以解釋宇宙已進入減速膨脹時期的衝擊性結果。重要的是，原有的宇宙劇烈加速膨脹的跡象幾乎消失了。
對此，以亞當·里斯為首的既有研究團隊正在進行激烈的反駁。在近期的後續論文中，里斯團隊主張延世大學團隊的分析存在問題。他們的核心觀點是，星系年齡效應與既有的“質量階梯”校正並非相互獨立的效應。延世大學團隊在校正了星系年齡帶來的差異後，又額外應用了基於星系質量的標準校正。但由於星系年齡和質量緊密相關，他們實際上進行了過度且重複的校正。他們主張，如果先校正既有的“質量階梯”，超新星標準化後的亮度和星系年齡之間就不會出現顯著的相關性。
對於假設遙遠超新星和近距離超新星的母天體年齡相差50億年的推測，他們也進行了反駁。他們指出這種假設比實際年齡差距誇大了3~5倍。延世大學團隊並沒有嚴格使用造成超新星的母天體年齡，而是使用了包含該超新星的星系年齡。這是受限於觀測侷限不得不做的妥協，但從無法將星系整體年齡與實際爆發超新星的母天體年齡等同起來這一點看，這也是一個重要的侷限。
為了進一步確認該問題，里斯和村上（Murakami）的合作研究小組分析了已確認超新星爆發的約7000個星系的恆星形成歷史。結果顯示，Ia型超新星母天體的平均年齡為35億年。而隨宇宙時間變化的母天體年齡差距僅為15億年左右。若是這種程度的微小年齡差異，遙遠超新星和近距離超新星的亮度差異僅為0.007星等，在誤差範圍內幾乎可以忽略不計。
但這並不意味著爭論已經結束。延世大學團隊指出，與里斯合作研究的懷斯曼（Wiseman）的研究結果分析了跨度太廣的紅移範圍內的星系，因此有意地將年齡與亮度的相關性趨於平坦。此外，他們還指出在校正“質量階梯”時使用的星系塵埃模型存在問題。反駁與再反駁，以及後續的再再反駁正在持續進行中。
然而，隨著過去3年觀測了1400萬個星系和類星體的龐大DESI資料釋出，這場爭論迎來了新局面。若僅將DESI的觀測結果與宇宙微波背景輻射相結合，暗能量似乎並非恆定的宇宙學常數，而是隨時間發生變化，這與現有的標準模型不同。在此基礎上，根據應用里斯團隊還是延世大學團隊的超新星標準化方式，結果會有巨大差異。DESI研究團隊目前還持謹慎態度。他們並沒有直接斷言暗能量不存在且宇宙正在減速膨脹，而是押注於暗能量可能並非恆定的宇宙學常數，而是隨時間變化的物理量這一謹慎的可能性。
此外，甚至出現了“暗能量本身或許根本不需要”的數學主張。研究人員利用解釋宇宙膨脹和狀態的弗裡德曼方程，找到了一個宇宙即便在極小擾動下也可能變得不穩定的新解。標準宇宙學假設宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的，這被稱為“宇宙學原理”。應用該假設，宇宙的平均膨脹可以用簡單的弗裡德曼方程來解釋。然而，實際的宇宙並非完全均勻，存在星系匯聚的超星系團，也存在幾乎沒有物質的“空洞”。
根據此次分析，弗裡德曼的解實際上就像將鉛筆立在尖端那樣，是最理想但不穩定的狀態。從數學上講可能存在，但現實性較低。即便吹一口氣，鉛筆也會倒下。同樣，如果早期宇宙存在微小的密度波動，就會自然地產生偏離均勻弗裡德曼宇宙、膨脹得更快的解。這表明即便不增加宇宙學常數或暗能量等新元素，在愛因斯坦原始方程的框架內，也可以出現與加速膨脹類似的現象。
當然，這並不直接支援延世大學團隊的主張。表面上看，兩項研究都透過觀測和理論對暗能量提出了質疑。但延世大學團隊透過質疑超新星亮度校正，主張加速膨脹本身可能就是一種錯覺。而近期的理論分析則並不否認加速膨脹。他們承認存在加速膨脹，只是主張為了解釋加速膨脹，不一定非要假設暗能量的存在。
從懷疑加速膨脹本身的延世大學研究小組，到承認加速膨脹但主張不一定需要暗能量的理論可能性，討論宇宙命運的天文學家和物理學家們的爭論正變得愈發複雜和混亂。
預計未來透過更多的觀測，這個問題將迎來新的轉機。去年6月30日，智利的薇拉·魯賓天文臺（Vera Rubin Observatory）正式開始了將持續10年的LSST觀測任務。他們計劃在10年內，每隔幾天不間斷地掃描南半球星空，獲取1000萬個超新星相關的資料。這將是獲取資料量遠超以往所有超新星研究的觀測專案。
此外，去年8月30日發射的新型太空望遠鏡“南希·格雷斯·羅曼”（Nancy Grace Roman）的觀測也將為超新星宇宙學提供新的線索。它將能夠擺脫地球大氣的干擾，在極其廣闊的時間跨度上均勻觀測Ia型超新星。
至少在未來10到20年內，我們期待這場激烈的爭論能逐漸顯露出真相的輪廓。
作者 池雄培（Ji Woong-bae）？熱愛貓咪與宇宙。兒時在觀看《銀河鐵道999》後，立志要向世人傳遞宇宙之美。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，積極從事講座、寫作等各類科學傳播活動。著有《關於天文學家的無用性》、《我們生而為天文學家》、《凝望宇宙時浮現的奇怪問題》等書，並翻譯了《我為何殺死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。