我們的宇宙由普通物質、暗物質和暗能量組成——自從20世紀末，天文學家發現宇宙在加速膨脹以來，“暗能量”的概念早已深入人心。暗能量存在的直接證據，依賴于對一類特殊超新星的觀測研究。但如果這類研究的前提條件都是錯的，那么暗能量還存在嗎？宇宙是否和我們預期的不一樣？現在，韓國延世大學的一項研究就對宇宙學的根基發起了挑戰……

　　1992年4月的一天，趕在滿月的明亮光芒遮掩住遙遠星空中的光亮之前，加州大學伯克利分校的天體物理學家薩爾·佩爾穆特（Saul Perlmutter）帶領團隊，將一座位于西班牙拉帕爾馬島的天文望遠鏡對準了一片遙遠的天區。在3周前的新月之夜，這座望遠鏡也曾指向同一片區域。佩爾穆特要做的，是從相隔3周的兩幅觀測圖片中“找不同”。這一次，他們成功了——第二張圖片上多出了一個像素點。進一步的分析確認，這個點正是他們尋找的目標：Ia型超新星。

這兩張圖片，源自佩爾穆特團隊1995年的一次觀測。右圖箭頭所指的亮點，代表了一顆Ia型超新星。

　　標準燭光

　　所謂超新星，是在演化末期劇烈爆炸的恒星。對天文學家來說，Ia型超新星有著特殊的地位。這類超新星的形成，需要白矮星與巨星組成的雙星系統：隨著白矮星不斷吸收巨星中的氫，最終它將不堪重負，內部引發熱核聚變，釋放的光芒在一瞬間照亮整個宇宙。有趣的是，所有Ia型超新星的質量都是一樣的——達到1.44個太陽質量時，爆炸如期而至。正是因為質量相同，這些超新星爆發時的峰值亮度一致。

　　這樣的特征，使得Ia型超新星承擔起至關重要的使命：為天文學家尋找宇宙的運動規律。

　　我們很容易想象這樣的畫面：一列規格相同的蠟燭在我們面前點燃，這些蠟燭的火焰本身亮度相同，但距離我們越遠，在我們眼中就顯得更黯淡。同樣，這些Ia型超新星也有相同的規律。用天文學的詞匯表述，就是Ia型超新星的視亮度（及其變化情況）與距離有著嚴格的對應關系。因此，它們成為可以用來測定距離的“標準燭光”。

　　不過，宇宙中的實際情況要比這更復雜。我們的宇宙不是靜止的，自138億年前的大爆炸后，它就在持續向外膨脹。換句話說，所有其他天體都在遠離我們而去。類似于多普勒效應，對于正在遠離我們的物體，我們看見的光線波長被拉長了，向波長更長的紅光偏移。這個現象，就是紅移。

　　但是，天體遠離我們的方式是怎樣的？是加速，減速，還是保持不變？

　　Ia型超新星可以給出答案。它們的視亮度對應距離，紅移則代表了遠離我們的速度。如果我們能獲取不同距離處Ia型超新星的亮度、紅移數據，就可以繪制出宇宙的膨脹地圖。

　　神秘推動力

　　佩爾穆特團隊正是希望通過這樣的關系，明確宇宙是怎樣減速膨脹的。沒錯，當時的科學界相信，引力的存在使得天體間相互吸引，因此宇宙膨脹的速度正在放緩。

　　但是，符合條件的Ia型超新星難以觀測。為了避免局部不均一性的影響，他們要尋找的超新星，與地球的距離都超過了1/3個可觀測宇宙半徑。因此，他們想到了文章開頭的比對觀測手段。

　　在這種觀測方法的可行性得到驗證后，研究團隊獲得了包括哈勃望遠鏡在內的多臺強大望遠鏡的使用權。截至1997年，他們共觀測到了42個超新星的數據。

　　然而，隨著距離-紅移關系圖上的數據點逐漸增多，研究團隊卻得到了意料之外的結論：宇宙并不是減速膨脹；相反，宇宙邊緣正在加速離我們而去。

　　1998年初，佩爾穆特團隊公開發表了他們的結論。幾乎同一時間，他們的競爭對手，布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和亞當·里斯（Adam Riess）領導的團隊也發表了相同的結論。就這樣，兩支團隊的結論相互映襯，為屬于物理學的20世紀打出擲地有聲的句號：我們的宇宙，正在加速膨脹。

　　按照目前的認識，宇宙早期減速膨脹，并在約50億年前開始加速膨脹。

　　引力在嘗試將天體拉進，但宇宙卻在加速膨脹。這說明，一定有某種未知的力量推動著宇宙的膨脹。盡管沒有人能確定這樣的力量究竟是什么，但天文學家們還是定義出一個貼切的名稱：暗能量（dark energy）。

　　現在，這個結論早已成為主流科學界的共識，上述3位物理學家也因此共同獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。暗能量與普通物質、暗物質共同構成了我們的宇宙，其中暗能量占據了宇宙總質量的約70%。

　　至于暗能量是什么，目前眾說紛紜。其中一種較為主流的理論認為，導致宇宙加速膨脹的“暗能量”源自真空能。根據量子力學理論，真空中存在大量虛粒子對，它們同時生成后，又在瞬間相互湮滅。由此產生的真空能起到排斥引力的效果，推動著空間向外延伸。

　　此后，另一些研究也從不同的角度（例如宇宙微波背景輻射和重子聲波振蕩）找到了暗能量存在的間接證據，但這些證據都存在瑕疵。直到現在，支持暗能量理論最牢固的證據，依然是宇宙加速膨脹。

　　亮度與年齡

　　但在2020年的第一周，暗能量大廈的根基卻遭到動搖。

　　這個充滿勇氣的結論，來自韓國延世大學領導的研究團隊。

　　還記得Ia型超新星為什么可以用作測定距離的“標準燭光”嗎？因為Ia型超新星的亮度和距離嚴格對應。這樣的結論，是根據數十年觀測得出的經驗關系。

　　但是，此前的研究是否遺漏了某些因素？在這篇最新論文中，研究團隊就對Ia型超新星進行了一次大規模的“巡檢”。

　　使用智利的2.5米口徑拉斯坎帕納斯天文望遠鏡，以及位于美國亞利桑那州的6.5米口徑多鏡面望遠鏡，研究團隊對約60個星系展開了為期9年的高質量光譜觀測，觀測的信噪比達到175：1。觀測對象的選擇也相當講究。這項研究涵蓋了絕大多數鄰近的早期宿主星系中的超新星——這些早期的星系可以被精確定年。而觀測數據量之大，使得研究者有機會發現先前被遺漏的規律。

　　最終，這些科學家在即將發表于《天體物理學雜志》的論文中，發表了令人驚訝的結論：這些超新星的絕對亮度與恒星群年齡有關，兩者之間存在顯著的相關性（年輕的超新星亮度較低）。該結論的置信度達到99.5%。

　　如果這個結論得到后續研究的證實，那么一場天體物理學革命勢在必行。最直接的影響是，如果Ia型超新星繼續被用作“標準燭光”，研究者需要根據超新星所處的恒星群年齡校正觀測結果。

　　更重要的問題是，此前根據Ia型超新星得出的結論，例如宇宙的加速膨脹，又該如何處理？顯然，科學家需要重新審視這些結果。

　　暗能量不存在？

　　讓我們回顧佩爾穆特的研究。一顆Ia型超新星的紅移程度確定了，而它看上去比預期更加黯淡。對于這個現象，之前的解釋是：暗能量的存在推動宇宙加速膨脹，因此超新星的距離比預想的更遠。

　　但現在，最新的研究提出了全新的可能性。當我們考慮超新星亮度的演化，此前預測的宇宙運動狀態需要改寫?；蛟S，宇宙仍然在加速膨脹，但暗能量的比例需要重新計算；又或者，更大膽一點，宇宙沒有在加速膨脹，暗能量也根本不存在——所有這一切，都是出于恒星群年齡的差異。

　　在最新研究中，作者也驗證了這種可能性：如果暗能量真的不存在，通過恒星亮度隨年齡的演化，也可以模擬出類似的亮度-紅移曲線。

　　領導這項最新研究的Young-Wook Lee教授在接受采訪時引用了卡爾·薩根的名言：“薩根說，‘非凡的結論需要非凡的證據’，但我不確定對于暗能量，非凡的證據是否存在。我們的結果說明，通過超新星宇宙學推測出的暗能量，或許只是基于錯誤前提的假象。”

　　但無論如何，這個結論還需要經過更多后續研究的檢驗。另外不要忘記，除了來自超新星的證據，暗能量還存在其他間接證據，例如前面提到的宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射告訴我們，普通物質與暗物質不足以填滿宇宙的總能量，空缺的部分就屬于神秘的暗能量。盡管近期的研究提出了不一樣的解釋，但同樣，更多后續研究不可或缺。

　　最終，這些新興觀點將通過檢驗，改寫我們對宇宙組成、運動的認識；還是與物理學歷史上的大量“重磅宣言”一樣，只是一幕很快被人遺忘的花絮？相信不久后，答案將水落石出。

　　相關閱讀：

　　暗能量真的存在嗎？

　　原始論文：

　　Early-Type Host Galaxies of Type Ia Supernovae。 II。 Evidence for Luminosity Evolution in Supernova Cosmology

　　https：//arxiv.org/pdf/1912.04903.pdf

　　參考鏈接：

　　https：//phys.org/news/2020-01-evidence-key-assumption-discovery-dark.html

　　https：//www.nobelprize.org/prizes/physics/2011/perlmutter/biographical/

　　https：//www.nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-physicsprize2011.pdf

　　https：//arxiv.org/pdf/astro-ph/9505023.pdf