[비즈한국] 宇宙正在膨胀。极遥远的星系正远离我们而去。大体上，星系越远，远离的速度越快。到目前为止，这是谁都不怀疑的事实。然而，近期宇宙学争论的焦点转移到了其他地方。
宇宙的膨胀是在加速，还是加速的程度正在减弱，甚至可能已经转为减速了呢？
用汽车作比喻，就是问宇宙现在是在踩油门，还是正在逐渐松开油门，又或者已经开始踩下刹车了。
这个问题不仅限于预测宇宙的未来，更是关于被认为占当前整个宇宙能量约70%的“暗能量”实体的争论。问题已经变成了：暗能量是否真的存在？如果存在，它在时间流逝中是保持恒定，还是在随时间减少或增加？
这个宏大的故事始于1998年。当时，两个研究小组观测到了极远宇宙中爆发的Ia型超新星。一个是由索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）领导的团队，另一个是由布莱恩·施密特（Brian Schmidt）和亚当·里斯（Adam Riess）领导的团队。他们原本想确认的是宇宙膨胀因引力作用“变慢”的程度。起初，他们开展研究的目的是确认“减速膨胀”，而非加速膨胀。
宇宙中充斥着物质。物质通过引力相互吸引，因此大爆炸后即便宇宙在膨胀，物质的引力也应该像刹车一样，使宇宙膨胀变得越来越慢。这才是更自然的推测。然而，两个团队都观测到了截然相反的结果。里斯研究小组分析的遥远超新星比在没有暗能量的低密度宇宙预期值中看起来平均要远约10~15%。珀尔马特研究小组也利用42个高红移超新星得出了类似的结论。遥远的超新星看起来比预期更暗，被解释为它们比预期更远。这意味着从过去某个时间点开始，宇宙膨胀得比预期更快，以至于它们脱离得更远。于是，这两个团队分别得出结论：宇宙的膨胀速度非但没有减慢，反而正在加速。
凭借这一发现，珀尔马特、施密特和里斯获得了2011年诺贝尔物理学奖。问题随之而来：到底是什么在使宇宙加速膨胀？
在广义相对论中，宇宙的加速并非仅凭能量充足就能轻易发生。通常物质和辐射通过引力使宇宙膨胀减速。若要使宇宙膨胀加速，则需要某种密度为正，但具有负压力的奇怪物质。若以宇宙学状态方程表示，宇宙加速或减速取决于能量密度(ρ)与压力(P)的结合方式，即ρ+3P/c^2。宇宙要加速，该值必须为负。只有压力小于能量密度的负三分之一时，宇宙才能加速膨胀。天文学家将这种难以理解的奇异成分称为“暗能量”。
最懒惰且省心的解释是“宇宙学常数”，即认为真空本身拥有能量。在这种情况下，暗能量具有完美的负压力，其状态方程为-1。这就创造了一种即便空间增大，密度也不会减少或变化的奇特状态。但这仅仅是数学描述，并未证实其本质。我们依然对暗能量的性质及其是否真实存在一无所知。简单假设真空能量就是暗能量，反而会产生多到惊人的暗能量，远远超过解释宇宙所需水平。这并非答案。
然而，当时超新星研究小组的发现有一个重要前提，即我们准确地知道Ia型超新星的亮度。Ia型超新星是含有白矮星的恒星系统中发生热核爆发的结果。白矮星是太阳质量级别的恒星在耗尽寿命后留下的残骸。它是将太阳级别的质量压缩到地球大小的高密度天体。若白矮星并非孤身一人，而是带有伴星，它会掠夺伴星物质而再次变重。人们认为，当白矮星超过“钱德拉塞卡极限”（即太阳质量的1.4倍）时，超新星爆发就会发生。
但现在，Ia型超新星的爆发机制变得更复杂、更多样。除了白矮星与普通恒星组成的双星系统外，还有多种爆发方式。当两颗白矮星碰撞时，也会出现光谱特征相似的Ia型超新星爆发。这种情况下，白矮星表面的火种可能在低于钱德拉塞卡极限的质量下就引发爆发。目前尚未掌握宇宙中各种爆发方式的比例。因此，将Ia型超新星视为亮度恒定的完美“标准烛光”可能是一个错误的前提。
不过，通过测量爆发后亮度的衰减速度以及颜色的偏红程度，可以对超新星的原始亮度进行一定程度的校正。通常，更亮的超新星在达到最大亮度后变暗的速度更慢。这被称为超新星光度曲线宽度与光度的关系。天文学家罗伯特·特里普（Robert Tripp）制定了一种通过超新星亮度变化模式来标准化的技术，至今许多研究仍在使用特里普的校正方程来标准化超新星。
但即便经过这些校正，微小的差异依然存在。最具代表性的就是所谓的“超新星质量阶梯”（mass step）。简单来说，就是根据超新星所在星系的质量，即便经过标准化，超新星的亮度仍存在细微差异。通常，在大质量星系爆发的超新星与小质量星系爆发的超新星之间，存在百分之几星等的细微差别。这种差异是因为星系质量本身，还是因为随质量变化的星系金属丰度、遮挡光线的尘埃或恒星形成效率所致，尚不明确。近期的争论正是源于此。
如果“质量阶梯”的原因源于星系或超新星爆发前恒星（前身星）的年龄，会发生什么呢？如果由老恒星产生的白矮星和由年轻恒星产生的白矮星在爆发时的亮度在标准化后仍存在本质差异，那么我们在观测遥远宇宙时可能会产生严重的偏差。观察遥远的星系意味着观察更遥远过去的宇宙，也就是回溯到宇宙更年轻的时代。邻近宇宙的超新星样本中相对古老的星系较多，而越往遥远宇宙看，年轻的星系就越多。如果在年轻宇宙中爆发的Ia型超新星在经过标准化校正后实际上更暗，我们可能会产生“因为超新星更远所以看起来更暗”的错觉。
如果是这样，认为“宇宙膨胀速度比预期更快”的“加速膨胀”发现本身就会动摇。这可能仅仅是因为随星系和恒星年龄产生的超新星固有亮度差异而导致的致命错觉。
2025年，延世大学的研究小组报告称，经过标准化的超新星亮度与母天体年龄之间存在最高达5.5σ（西格玛）的相关性。母天体每相差约10亿年，亮度就有0.03星等的差异。在年轻恒星群中爆发的超新星，即使在标准化后也倾向于看起来更暗。如果极端地比较近宇宙和远宇宙，超新星母天体的年龄可能相差50亿至60亿年以上。考虑到这种差异，遥远超新星的亮度可能会看起来更暗约0.16星等。这个数字看起来可能微不足道，但在宇宙学中，这是绝不可忽视的差异。
随后，在后续研究中，他们对这一年龄偏差进行了额外校正，并结合了近期完成的宇宙微波背景辐射以及DESI庞大的星系分布地图数据。结果显示，这与假设有暗能量的现有标准宇宙模型完全不符。这种差异竟然达到了9σ级别。反之，表示宇宙膨胀减速/加速的参数q_0得出了大于0的约0.092。如果该值为正，则意味着宇宙正在进行减速膨胀。当然，尽管误差依然很大，但仅从数值上看，这是一个足以解释宇宙已进入减速膨胀时期的冲击性结果。重要的是，原有的宇宙剧烈加速膨胀的迹象几乎消失了。
对此，以亚当·里斯为首的既有研究团队正在进行激烈的反驳。在近期的后续论文中，里斯团队主张延世大学团队的分析存在问题。他们的核心观点是，星系年龄效应与既有的“质量阶梯”校正并非相互独立的效应。延世大学团队在校正了星系年龄带来的差异后，又额外应用了基于星系质量的标准校正。但由于星系年龄和质量紧密相关，他们实际上进行了过度且重复的校正。他们主张，如果先校正既有的“质量阶梯”，超新星标准化后的亮度和星系年龄之间就不会出现显著的相关性。
对于假设遥远超新星和近距离超新星的母天体年龄相差50亿年的推测，他们也进行了反驳。他们指出这种假设比实际年龄差距夸大了3~5倍。延世大学团队并没有严格使用造成超新星的母天体年龄，而是使用了包含该超新星的星系年龄。这是受限于观测局限不得不做的妥协，但从无法将星系整体年龄与实际爆发超新星的母天体年龄等同起来这一点看，这也是一个重要的局限。
为了进一步确认该问题，里斯和村上（Murakami）的合作研究小组分析了已确认超新星爆发的约7000个星系的恒星形成历史。结果显示，Ia型超新星母天体的平均年龄为35亿年。而随宇宙时间变化的母天体年龄差距仅为15亿年左右。若是这种程度的微小年龄差异，遥远超新星和近距离超新星的亮度差异仅为0.007星等，在误差范围内几乎可以忽略不计。
但这并不意味着争论已经结束。延世大学团队指出，与里斯合作研究的怀斯曼（Wiseman）的研究结果分析了跨度太广的红移范围内的星系，因此有意地将年龄与亮度的相关性趋于平坦。此外，他们还指出在校正“质量阶梯”时使用的星系尘埃模型存在问题。反驳与再反驳，以及后续的再再反驳正在持续进行中。
然而，随着过去3年观测了1400万个星系和类星体的庞大DESI数据发布，这场争论迎来了新局面。若仅将DESI的观测结果与宇宙微波背景辐射相结合，暗能量似乎并非恒定的宇宙学常数，而是随时间发生变化，这与现有的标准模型不同。在此基础上，根据应用里斯团队还是延世大学团队的超新星标准化方式，结果会有巨大差异。DESI研究团队目前还持谨慎态度。他们并没有直接断言暗能量不存在且宇宙正在减速膨胀，而是押注于暗能量可能并非恒定的宇宙学常数，而是随时间变化的物理量这一谨慎的可能性。
此外，甚至出现了“暗能量本身或许根本不需要”的数学主张。研究人员利用解释宇宙膨胀和状态的弗里德曼方程，找到了一个宇宙即便在极小扰动下也可能变得不稳定的新解。标准宇宙学假设宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的，这被称为“宇宙学原理”。应用该假设，宇宙的平均膨胀可以用简单的弗里德曼方程来解释。然而，实际的宇宙并非完全均匀，存在星系汇聚的超星系团，也存在几乎没有物质的“空洞”。
根据此次分析，弗里德曼的解实际上就像将铅笔立在尖端那样，是最理想但不稳定的状态。从数学上讲可能存在，但现实性较低。即便吹一口气，铅笔也会倒下。同样，如果早期宇宙存在微小的密度波动，就会自然地产生偏离均匀弗里德曼宇宙、膨胀得更快的解。这表明即便不增加宇宙学常数或暗能量等新元素，在爱因斯坦原始方程的框架内，也可以出现与加速膨胀类似的现象。
当然，这并不直接支持延世大学团队的主张。表面上看，两项研究都通过观测和理论对暗能量提出了质疑。但延世大学团队通过质疑超新星亮度校正，主张加速膨胀本身可能就是一种错觉。而近期的理论分析则并不否认加速膨胀。他们承认存在加速膨胀，只是主张为了解释加速膨胀，不一定非要假设暗能量的存在。
从怀疑加速膨胀本身的延世大学研究小组，到承认加速膨胀但主张不一定需要暗能量的理论可能性，讨论宇宙命运的天文学家和物理学家们的争论正变得愈发复杂和混乱。
预计未来通过更多的观测，这个问题将迎来新的转机。去年6月30日，智利的薇拉·鲁宾天文台（Vera Rubin Observatory）正式开始了将持续10年的LSST观测任务。他们计划在10年内，每隔几天不间断地扫描南半球星空，获取1000万个超新星相关的数据。这将是获取数据量远超以往所有超新星研究的观测项目。
此外，去年8月30日发射的新型太空望远镜“南希·格雷斯·罗曼”（Nancy Grace Roman）的观测也将为超新星宇宙学提供新的线索。它将能够摆脱地球大气的干扰，在极其广阔的时间跨度上均匀观测Ia型超新星。
至少在未来10到20年内，我们期待这场激烈的争论能逐渐显露出真相的轮廓。
作者 池雄培（Ji Woong-bae）？热爱猫咪与宇宙。儿时在观看《银河铁道999》后，立志要向世人传递宇宙之美。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，积极从事讲座、写作等各类科学传播活动。著有《关于天文学家的无用性》、《我们生而为天文学家》、《凝望宇宙时浮现的奇怪问题》等书，并翻译了《我为何杀死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。