2011年诺奖成果受质疑，宇宙学根基被挑战：新研究认为暗能量可能不存在
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2011 年诺贝尔物理学奖被授予提出宇宙加速膨胀理论的三位科学家。这个理论依赖于对一类特殊超新星的观测研究，并且由此产生的暗能量理论如今早已深入人心，成为学界的共识。
暗能量存在的直接证据依赖于对一类特殊超新星的观测研究。但是，如果这类研究的前提条件都是错的，那么暗能量还存在吗？宇宙还会加速膨胀吗？现在，韩国延世大学的一项研究就对宇宙学的根基发起了挑战……
本文转载自公众号“环球科学”
撰文 | 吴非
1992 年 4 月的一天，赶在满月的明亮光芒遮掩住遥远星空中的光亮之前，加州大学伯克利分校的天体物理学家萨尔·佩尔穆特（Saul Perlmutter）带领团队，将一座位于西班牙拉帕尔马岛的天文望远镜对准了一片遥远的天区。在 3 周前的新月之夜，这座望远镜也曾指向同一片区域。佩尔穆特要做的，是从相隔 3 周的两幅观测图片中“找不同”。这一次，他们成功了——第二张图片上多出了一个像素点。进一步的分析确认，这个点正是他们寻找的目标：Ia 型超新星。
这两张图片，源自佩尔穆特团队 1995 年的一次观测。右图箭头所指的亮点，代表了一颗 Ia 型超新星。
标准烛光
所谓超新星，是在演化末期剧烈爆炸的恒星。对天文学家来说，Ia 型超新星有着特殊的地位。这类超新星的形成，需要白矮星与巨星组成的双星系统：随着白矮星不断吸收巨星中的氢，最终它将不堪重负，内部引发热核聚变，释放的光芒在一瞬间照亮整个宇宙。有趣的是，所有 Ia 型超新星的质量都是一样的——达到 1.44 个太阳质量时，爆炸如期而至。正是因为质量相同，这些超新星爆发时的峰值亮度一致。
这样的特征，使得 Ia 型超新星承担起至关重要的使命：为天文学家寻找宇宙的运动规律。
我们很容易想象这样的画面：一列规格相同的蜡烛在我们面前点燃，这些蜡烛的火焰本身亮度相同，但距离我们越远，在我们眼中就显得更黯淡。同样，这些 Ia 型超新星也有相同的规律。用天文学的词汇表述，就是 Ia 型超新星的视亮度（及其变化情况）与距离有着严格的对应关系。因此，它们成为可以用来测定距离的“标准烛光”。
不过，宇宙中的实际情况要比这更复杂。我们的宇宙不是静止的，自 138 亿年前的大爆炸后，它就在持续向外膨胀。换句话说，所有其他天体都在远离我们而去。类似于多普勒效应，对于正在远离我们的物体，我们看见的光线波长被拉长了，向波长更长的红光偏移。这个现象，就是红移。
但是，天体远离我们的方式是怎样的？是加速，减速，还是保持不变？
Ia 型超新星可以给出答案。它们的视亮度对应距离，红移则代表了远离我们的速度。如果我们能获取不同距离处 Ia 型超新星的亮度、红移数据，就可以绘制出宇宙的膨胀地图。
神秘推动力
佩尔穆特团队正是希望通过这样的关系，明确宇宙是怎样减速膨胀的。没错，当时的科学界相信，引力的存在使得天体间相互吸引，因此宇宙膨胀的速度正在放缓。
但是，符合条件的 Ia 型超新星难以观测。为了避免局部不均一性的影响，他们要寻找的超新星，与地球的距离都超过了 1/3 个可观测宇宙半径。因此，他们想到了文章开头的比对观测手段。
在这种观测方法的可行性得到验证后，研究团队获得了包括哈勃望远镜在内的多台强大望远镜的使用权。截至 1997 年，他们共观测到了 42 个超新星的数据。
然而，随着距离-红移关系图上的数据点逐渐增多，研究团队却得到了意料之外的结论：宇宙并不是减速膨胀；相反，宇宙边缘正在加速离我们而去。
1998 年初，佩尔穆特团队公开发表了他们的结论。几乎同一时间，他们的竞争对手，布莱恩·施密特（Brian Schmidt）和亚当·里斯（Adam Riess）领导的团队也发表了相同的结论。就这样，两支团队的结论相互映衬，为属于物理学的 20 世纪打出掷地有声的句号：我们的宇宙，正在加速膨胀。
按照目前的认识，宇宙早期减速膨胀，并在约 50 亿年前开始加速膨胀。
引力在尝试将天体拉进，但宇宙却在加速膨胀。这说明，一定有某种未知的力量推动着宇宙的膨胀。尽管没有人能确定这样的力量究竟是什么，但天文学家们还是定义出一个贴切的名称：暗能量（dark energy）。
现在，这个结论早已成为主流科学界的共识，上述 3 位物理学家也因此共同获得了 2011 年的诺贝尔物理学奖。暗能量与普通物质、暗物质共同构成了我们的宇宙，其中暗能量占据了宇宙总质量的约 70%。
至于暗能量是什么，目前众说纷纭。其中一种较为主流的理论认为，导致宇宙加速膨胀的“暗能量”源自真空能。根据量子力学理论，真空中存在大量虚粒子对，它们同时生成后，又在瞬间相互湮灭。由此产生的真空能起到排斥引力的效果，推动着空间向外延伸。
此后，另一些研究也从不同的角度（例如宇宙微波背景辐射和重子声波振荡）找到了暗能量存在的间接证据，但这些证据都存在瑕疵。直到现在，支持暗能量理论最牢固的证据，依然是宇宙加速膨胀。
亮度与年龄
但在 2020 年的第一周，暗能量大厦的根基却遭到动摇。
这个充满勇气的结论，来自韩国延世大学领导的研究团队。
还记得 Ia 型超新星为什么可以用作测定距离的“标准烛光”吗？因为 Ia 型超新星的亮度和距离严格对应。这样的结论，是根据数十年观测得出的经验关系。
但是，此前的研究是否遗漏了某些因素？在这篇最新论文中，研究团队就对 Ia 型超新星进行了一次大规模的“巡检”。
使用智利的 2.5 米口径拉斯坎帕纳斯天文望远镜，以及位于美国亚利桑那州的 6.5 米口径多镜面望远镜，研究团队对约 60 个星系展开了为期9年的高质量光谱观测，观测的信噪比达到175:1。观测对象的选择也相当讲究。这项研究涵盖了绝大多数邻近的早期宿主星系中的超新星——这些早期的星系可以被精确定年。而观测数据量之大，使得研究者有机会发现先前被遗漏的规律。
最终，这些科学家在即将发表于《天体物理学杂志》的论文中，发表了令人惊讶的结论：这些超新星的绝对亮度与恒星群年龄有关，两者之间存在显著的相关性（年轻的超新星亮度较低）。该结论的置信度达到 99.5%。
如果这个结论得到后续研究的证实，那么一场天体物理学革命势在必行。最直接的影响是，如果 Ia 型超新星继续被用作“标准烛光”，研究者需要根据超新星所处的恒星群年龄校正观测结果。
更重要的问题是，此前根据 Ia 型超新星得出的结论，例如宇宙的加速膨胀，又该如何处理？显然，科学家需要重新审视这些结果。
暗能量不存在？
让我们回顾佩尔穆特的研究。一颗 Ia 型超新星的红移程度确定了，而它看上去比预期更加黯淡。对于这个现象，之前的解释是：暗能量的存在推动宇宙加速膨胀，因此超新星的距离比预想的更远。
但现在，最新的研究提出了全新的可能性。当我们考虑超新星亮度的演化，此前预测的宇宙运动状态需要改写。或许，宇宙仍然在加速膨胀，但暗能量的比例需要重新计算；又或者，更大胆一点，宇宙没有在加速膨胀，暗能量也根本不存在——所有这一切，都是出于恒星群年龄的差异。
在最新研究中，作者也验证了这种可能性：如果暗能量真的不存在，通过恒星亮度随年龄的演化，也可以模拟出类似的亮度-红移曲线。
根据恒星亮度随年龄的演化（图中红色曲线），也可以模拟出类似的曲线。
领导这项最新研究的 Young-Wook Lee 教授在接受采访时引用了卡尔·萨根的名言：“萨根说，‘非凡的结论需要非凡的证据’，但我不确定对于暗能量，非凡的证据是否存在。我们的结果说明，通过超新星宇宙学推测出的暗能量，或许只是基于错误前提的假象。”
但无论如何，这个结论还需要经过更多后续研究的检验。另外不要忘记，除了来自超新星的证据，暗能量还存在其他间接证据，例如前面提到的宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射告诉我们，普通物质与暗物质不足以填满宇宙的总能量，空缺的部分就属于神秘的暗能量。尽管近期的研究提出了不一样的解释，但同样，更多后续研究不可或缺。
最终，这些新兴观点将通过检验，改写我们对宇宙组成、运动的认识；还是与物理学历史上的大量“重磅宣言”一样，只是一幕很快被人遗忘的花絮？相信不久后，答案将水落石出。
相关阅读：
原始论文：
Early-Type Host Galaxies of Type Ia Supernovae. II. Evidence for Luminosity Evolution in Supernova Cosmology
https://arxiv.org/pdf/1912.04903.pdf
参考链接：
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
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