[비즈한국] 无论看向哪个方向，宇宙都是一样的；无论从哪个位置观察，宇宙也是一样的。这被称为宇宙的各向同性与均匀性。这两个概念是当今现代天文学最根本的立足点。当然，宇宙各地存在着星团和星系聚集的区域。星系也以星系团的形式成群生活。尽管存在星系密度比周围更高的超星系团和细丝状结构，但也存在星系密度远低于周围、空无一物的“空洞”（Void）。
然而，这些都只是局部层面的不均匀。天文学家们一直认为，在宇宙的宏大尺度上，这些细微的不均匀性都会被稀释。也就是说，宇宙在任何地方都是相同、一致且公平的。虽然从局部看似乎存在物质多寡的密度差异，但从整个宇宙来看，它实际上是均匀的。人们曾认为，这个“大前提”绝不可能动摇。
但最近，一些天文学家向这一大前提发起了挑战。也许我们的宇宙并不是一个均匀的世界。宇宙大尺度结构中的细丝和空洞，或许是宇宙宏大尺度也无法抹平的、相当显著的不均匀性。这种不再将宇宙视为均匀世界的观点被称为“时间景观（Timescape）”假说。
这个假说真的仅仅是有趣的数学游戏吗？还是说，它是解决当代天文学难题的一把新钥匙？
宇宙中仍有许多我们尚未完全理解的谜团，最典型的就是暗能量。从20世纪90年代末开始，天文学家通过观测距离越来越远的超新星，掌握了宇宙从过去到现在膨胀率的变化过程。研究得出结论：越靠近现在，宇宙的膨胀速度越快，即正在经历加速膨胀。为了解释这一观测结果，必须假设存在一种能够对抗试图让宇宙收缩的引力、即“反引力”的能量。最终，人们得出结论认为一种名为“暗能量”的未知能量支配着宇宙，但其真面目至今仍未揭开。
主张不再将宇宙视为均匀世界的“时间景观”假说认为，暗能量实际上可能是一个幻象。即它根本不是我们需要去纠结本质的东西，仅仅是观测上的误解。有观点指出，比起现有的基于暗能量的标准模型，利用“时间景观”假说的替代模型反而能更好地吻合迄今为止的超新星观测结果。难道暗能量只是因为我们对宇宙的错误期待而产生的巨大错觉吗？
为了判断随着时间流逝宇宙的膨胀是越来越快还是越来越慢，必须观测从代表过去的最遥远宇宙到相对近的宇宙中，处于不同距离的星系。特别是代表遥远过去宇宙的远方星系非常暗淡。在观测远方星系时，超新星非常有用。因为它们爆炸时极其明亮，瞬间释放出的能量相当于太阳100亿年生命周期内所释放能量的总和。
在各类超新星中，Ia型超新星尤为重要。已知这类超新星是演化早已结束的白矮星突破极限后再次爆炸产生的。Ia型超新星的爆炸方式主要有两种：一种是白矮星从旁边的普通主序星或红巨星吸收物质，最终引发爆炸；另一种是两颗白矮星相互碰撞而爆炸。
虽然一直有怀疑认为根据方式不同，爆炸持续的时间或最大亮度可能会有所差异，但传统上认为这两种方式的爆炸闪光，其最大亮度是相似的。也就是说，只要Ia型超新星发生爆炸，就可以估算出其实际亮度。这就是为什么它们被视为“标准烛光”——即在不知道距离的情况下，通过求得实际亮度来推算出距离。因此，Ia型超新星被用作测量遥远星系距离的标尺。
然而，超新星无法预知何时何地发生。我们总是只能在爆炸发生后，观察那渐渐熄灭的余火。因此，从20世纪90年代开始，天文学家组建了覆盖全球的望远镜网络，开始“狩猎”超新星——通过尽可能周期性地持续观测同一方向的星空，自动寻找超新星闪光。通过这种方式，1998年首次收集了多达40颗Ia型超新星的观测数据。正是在这里，发现了宇宙随着时间推移，膨胀速度越来越快的证据。
这是一个令人震惊的结果。但仅分析40颗超新星是不够的。此后，开展了多种专门猎捕超新星的大规模观测项目。其中最典型的是“万神殿（Pantheon）”项目。万神殿团队于2018年公布了首次观测数据，随后在2022年完善了升级版的“Pantheon+”数据，提供了总计1500颗Ia型超新星的观测数据。大幅增加的超新星观测数据似乎以更小的误差支持了现有的加速膨胀假说。
当今的天文学推测宇宙由25%的暗物质和70%的暗能量组成。剩下的仅4~5%是由我们通过光可以看到的原子组成。然而，这一推测的前提是“宇宙在宏观尺度上是均匀的”。如果这一前提本身就是错误的，那么对宇宙的所有预测都可能发生巨大改变。
看看宇宙的大尺度结构。根据区域不同，存在星系高度密集的超星系团和细丝，也存在几乎没有星系的空洞。空洞的引力较弱。因此，它比密度更高的其他区域膨胀得更快。如果光穿过空洞飞行，由于该处的膨胀比其他地方更剧烈，光的波长也会被拉得更长。这会让它看起来经历了更大的红移。
另一方面，引力的差异也会影响时间的流逝速度。根据爱因斯坦的相对论，在引力强的地方，时间流逝得更慢。与空洞相比，充满星系的超星系团引力更强，因此时间流逝可能更慢。我们生活在星系相对聚集的星系团一隅。因此，我们可能会感知到时间流逝得比宇宙平均水平要慢一些。相反，在几乎没有星系的空洞中，时间将会流逝得更快。
如果宇宙大尺度结构的密度差异大到在宏观视角下也不可忽视的程度，情况就会完全不同。由于各地引力差异导致的膨胀率差异，以及时间延迟的差异，可能会产生复合影响。生活在高密度星系团中的我们，在观察穿过空洞飞来的光时，可能会产生一种错觉，即认为宇宙现在的膨胀率比过去更高，正在加速膨胀。也就是说，这可能会让宇宙看起来比实际膨胀得更快。
将认为暗能量支配宇宙加速膨胀的现有标准ΛCDM模型，与主张需要更积极反映宇宙不均匀性的“时间景观”模型进行对比，看看哪种模型能更好地解释Pantheon+超新星观测数据，结果非常有趣。
上图比较了根据Pantheon+观测数据确定的超新星距离，哪种模型能更好地描述观测结果。黑线是实际超新星观测数据的趋势。线条越接近上方的蓝色区域，意味着越符合“时间景观”模型；越接近下方红色区域，则越倾向于现有的ΛCDM模型。
虽然误差仍然很大，但总体而言，实际观测数据（黑线）更接近上方的蓝色区域。比起现有的ΛCDM模型，“时间景观”模型反而能稍微更好地解释观测结果。特别是在红移较小、距离较近的超新星中，差异更为显著。
超新星观测数据虽有用，但数量仍然不足。因此，很难断定谁对谁错。不过有趣的事实是，单纯依靠现有的标准模型，已经无法简单解决大大小小的问题，这些问题正在累积。就在几年前，天文学家们还试图在不触动大框架的情况下，通过微调假设和修正值来延长标准模型的寿命。但现在，天文学家们变得更加激进和勇敢了。他们甚至开始对“宏观视角下宇宙密度整体平坦”这一现代天文学最根本的前提条件提出了质疑。
“时间景观”模型主张，不应忽视由宇宙大大小小密度差异引起的引力效应。它指出宇宙并不像我们想象的那样平坦或均匀，而是一个非常复杂的世界。或许，我们需要以比过去更细腻的方式来对待宇宙。
参考
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）是谁？他热爱猫和宇宙。小时候看了《银河铁道999》后，立志要将宇宙的美丽传播给世人。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过星系相互作用产生的演化，并进行讲座、撰稿等各种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星星，光的科学）等书。