[비즈한국] 最近BODA YouTube频道上传了一段有趣的视频。这是对备受尊敬的韩国天文学家李英旭（Lee Young-wook）教授的专访。李英旭教授的研究团队最近提出了一个脱离现有宇宙学模型的新见解。他们主张，宇宙膨胀不仅没有加速，反而已经进入了膨胀速度逐渐放缓的“减速膨胀”时期。而且，多种独立的观测结果都一致指向这个减速膨胀的宇宙模型！未来我们宇宙的命运究竟会如何呢？
宇宙正在膨胀。自138亿年前宇宙诞生以来，它一直保持着膨胀。这一点所有天文学家都没有异议。但在细节上，观点却出现了分歧。目前主要分为三种意见：一种认为膨胀速度保持恒定，一种认为膨胀越来越快，还有一种则认为正在变慢。
谈及当今宇宙的命运，最重要的目标是超新星。超新星虽然只是单颗恒星的爆炸，但其亮度足以媲美汇集了数千亿、数万亿颗恒星的整个星系。因为即使距离遥远也能被清晰观测到，它们成为了观测遥远宇宙的最佳灯塔。
此外，传统观点一直认为Ia型超新星（Type Ia Supernova）在达到最大亮度时的峰值几乎是恒定的。Ia型超新星是指光谱中不出现明显氢特征的一类超新星，这是因为作为白矮星，其氢元素早已耗尽。已知白矮星当质量超过被称为“钱德拉塞卡极限”的特定阈值时就会发生爆炸。过去人们认为这个极限质量始终不变，因此Ia型超新星可以作为横跨宇宙历史、在任何时间地点爆炸都保持相同亮度的“标准烛光”。既然知道遥远宇宙中超新星爆炸时的理论最大亮度，就可以通过它简单地计算出该星系到地球的距离。
然而，现实并非如此简单。Ia型超新星的爆炸机制多种多样。典型的例子包括：白矮星从旁边的伴星夺取物质，或两颗白矮星相互碰撞。前者被称为单简并（Single Degeneracy, SD）超新星，后者被称为双简并（Double Degeneracy, DD）超新星。
此外，白矮星内部镍等金属含量的多寡，也会显著影响爆炸瞬间的最大亮度。因为富含电子的金属元素会吸收光线，增加所谓的不透明度，从而使天体亮度显得更暗。
由于Ia型超新星的起源和环境差异很大，仅仅假设其最大亮度恒定并将其作为标准烛光，是一种相当粗糙的假设。特别是随着宇宙演化，遍布宇宙的星系、恒星的化学成分和金属含量也在发生变化，因此超新星的亮度完全可能随星系和恒星的年龄而异。
早在20世纪80年代，就有少数天文学家提出，为了将Ia型超新星用作标准烛光，必须仔细考虑这种随年龄产生的偏差。代表人物有比阿特丽斯·廷斯利（Beatrice Tinsley）。遥远的星系代表了大爆炸后的初期宇宙，而越靠近我们的星系，则混杂了后期诞生的老年星系。在早期的年轻星系中，相比Ia型超新星，更多出现的是大质量恒星自行坍缩引发的II型超新星。此外，能爆发多少Ia型超新星，还取决于母星系中恒星的年龄分布，以及恒星经历演化成为超新星所需的延迟时间。
这种超新星亮度的“年龄偏差”会使相对年轻（遥远）星系中爆发的超新星看起来更暗。如果不能对此进行正确校准，就会误判为“因为遥远的星系比预期更远，所以超新星看起来才更暗”。这进而导致了“宇宙膨胀正在加速，使得星系距离比预期更远”的结论。
事实上，1998年亚当·里斯（Adam Riess）、布莱恩·施密特（Brian Schmidt）和索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）的研究团队正是通过这种方式得出了宇宙正在加速膨胀的结论。从此，那种能克服引力、推动宇宙加速膨胀的未知能量——“暗能量”，成为了天文学界最热门的难题。至今，暗能量的本质仍未被揭开，甚至连合适的候选者都没有。
5年前，李英旭教授团队基于实际观测数据，验证了廷斯利所担忧的“随年龄变化的超新星光度演化效应”。研究结果显示，随着星系年龄的不同，超新星的亮度确实会发生变化，越年轻的星系中，超新星看起来确实应该越暗！在对这种随年龄变化的演化效应进行校准后，他们再次核查宇宙膨胀速度的变化，结果发现，与已知结论不同，加速膨胀的效应完全消失了。
当时，这一主张在学术界并未得到广泛认可，主要原因在于其他观测证据似乎都在支持加速膨胀模型。但现在情况不同了，最新的补充论文表明，近几年出现的其他独立观测结果，反而更支持宇宙正在进行“减速膨胀”而非加速膨胀的模型。
在这项后续研究中，李英旭教授团队积极利用了DESI数据。该项目的命名本身就包含了探寻暗能量本质的抱负。该观测项目采用的测量宇宙距离的标尺并非超新星，而是“重子声波振荡”（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）。
宇宙初期处于等离子体状态。以密度略高的点为中心，波动像声波一样在等离子体中传播。随着宇宙膨胀和冷却，等离子体最终冻结，当时向四面八方扩散的原始宇宙声波也随之冻结。这些冻结的波形成了密度较高的区域，星系便围绕这些区域诞生。因此，观察当前的宇宙大尺度结构，星系并非随机分布，而是以当时初始宇宙声波的振荡尺度为间隔排列。这就是被镌刻在宇宙大尺度结构中的原始振荡遗迹——重子声波振荡。
重子声波振荡无论在宇宙的哪个阶段都应保持相同的尺度。如果说Ia型超新星是人们期待的亮度恒定的“标准烛光”，那么重子声波振荡就是大小恒定的“标准尺”。
去年，DESI团队通过分析重子声波振荡，展示了一个有趣的可能：暗能量不是常数，而是随时间变化的数值。长期以来，暗能量被认为是爱因斯坦所说的“宇宙常数”。尽管宇宙膨胀体积变大，但暗能量密度应该始终保持不变。这看起来就像是在不断往宇宙中添加新的暗能量，因此也被称为“幽灵能量”，意为不知道从何而来的神秘能量。但去年DESI团队的结果显示，随着时间推移，暗能量正在减弱。
不过，该结果并未推导出宇宙正在减速膨胀。它只是表明相对于初期，暗能量的强度正在逐渐变弱。用汽车做比喻，就像虽然脚还在油门上，但踩油门的力度减轻了。
然而，李英旭教授团队的新研究更进一步。通过精确应用随年龄变化的超新星光度演化模型，结果显示，现在的宇宙不仅是减轻了油门力度，看起来简直就像是在踩刹车！也就是说，宇宙已经进入了减速膨胀阶段。更有趣的是，其实DESI团队也发现了同样的结果。
只是他们去年的结论并非仅仅基于重子声波振荡的分析。他们混合了现有的（未考虑年龄光度演化）超新星数据进行综合计算。如果DESI团队从一开始只使用纯粹的重子声波振荡结果，他们本可以得出减速膨胀的结论。但由于混合了未考虑光度演化效应的现有超新星数据取平均值，最终得出了“暗能量似乎有所减弱”这种较为保守的结论。
李英旭教授团队排除了现有的超新星数据，纯粹地与DESI团队的重子声波振荡结果进行了对比。结果令人震惊：考虑了随年龄变化的超新星光度演化效应后的新结果，与纯粹的重子声波振荡结果完全吻合。宇宙微波背景辐射也指向同一个模型。三种独立的宇宙学观测方式竟指向同一模型，这是一个惊人的发现。
这一结论并不意味着完全没有暗能量，而是意味着我们曾认为的“随宇宙膨胀保持密度恒定的简单常数”——暗能量，实际上是一个随时间发生剧烈变化的诡异存在。这就像水经历固态、液态、气态的变化一样，暗能量的状态方程本身就在发生改变。在大爆炸初期，它表现得像“幽灵能量”；随后一度表现得像“宇宙常数”；而现在，它又以逐渐减弱的奇怪方式运作。要准确描述李英旭教授团队的结果，不应像常被误解的那样说“没有暗能量”，而应说“不存在宇宙常数，暗能量是一个随时间千变万化的存在”。
在BODA专访中，李英旭教授表示，目前还无法确知这最终会导向什么结局。但他指出，这证明了暗能量并非预想中简单的宇宙常数，而是完全不同的概念。他认为这一发现将成为通向未来完全不同宇宙模型的重要基石。
宇宙在演化，人类对宇宙的认知也在随之演化。曾几何时，人们认为宇宙会永远保持静止；后来发现它在快速膨胀，再后来又认为膨胀正在加速。如今，新的可能性再次开启：膨胀或许正在放缓。宇宙学尚未完结，未来也不会完结。我们深知无法彻底抵达真理，但我们正不懈地努力，一点一点地向真理靠近。
关于暗能量和宇宙加速膨胀的现行宇宙学，究竟会迎来怎样的命运？如果暗能量随时间变化，原因何在？未来宇宙的命运如何？就像时刻变化的暗能量一样，宇宙本身的命运似乎也难以捉摸。
参考
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）是谁？他热爱猫与宇宙。童年因观看《银河铁道999》而梦想向世人传达宇宙之美。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，积极从事讲座、写作等多种科学传播活动。著有《每日一片宇宙》、《繁星璀璨的宇宙科学家们》、《无法抵达但可知晓》、《面对宇宙会想到的奇怪问题》等书籍，并翻译了《给真正航行宇宙的搭便车者的指南》、《我为何杀了冥王星》、《量子生活》、《Cosmigraphics》等作品。