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Quirks and Quarks·Q&A

对“暗能量”的另一种解释：宇宙存在不同时区

一种与“暗能量”理论相竞争的理论认为，宇宙存在不同的时区。对某种超新星的新测量结果似乎表明，我们不断膨胀的宇宙根本没有加速，因此不需要调用神秘的“暗能量”来解释超新星的观测结果。

来自 1,550 颗超新星的最新观测结果符合新的“时空景观 (timescape)”模型

Sonya Buyting · CBC Radio · 发布时间：2025 年 2 月 26 日 美国东部时间上午 11:15 | 最后更新时间：2 月 26 日 It looks almost like a giant eye in space, with a blue cloudy-looking interior rimmed with lighter dense clouds that appear red on the outside edges. 这个距离地球约 16,000 光年的超新星遗迹属于 Ia 型超新星，天文学家用它来测量宇宙距离。(University of Texas/Chandra X-ray Observatory/NASA)

Quirks and Quarks 19:35 暗能量是否正在消亡？一种新的理论表明宇宙有不同的时区

宇宙中酝酿着一场宇宙争议。 它围绕着被称为“暗能量”的神秘力量。 这个概念源于对遥远超新星的观测，在 1990 年代后期，这些超新星似乎表明宇宙自大爆炸以来一直在加速膨胀。 天文学家通过某种类型的超新星进行了这些观测，这些超新星的爆炸方式允许天文学家计算它们与我们的距离。 从该数据中出现的图景与之前对宇宙的解释不符，后者认为宇宙的膨胀（由大爆炸驱动）最终会随着引力的介入而减慢。 这促使科学家提出了一个他们称之为“暗能量”的力量的想法，这种力量对抗引力，使宇宙以越来越快的速度膨胀，与超新星数据保持一致。 但自那时以来，天文学家以更高的精度测量了更多的超新星，以及遥远宇宙中的其他明亮物体。 这样做揭示了宇宙学标准模型中的裂缝，该模型依赖于暗能量来解释数据。 On the left we see an image that looks like a giant luminous tadpole of a super bright sphere with a bright tail tailing behind. On the right, we see a fiery explosion with faint echoes of light emanating from it. Ia 型超新星的艺术家印象图，其中一颗较小的白矮星在爆炸前后从一颗红色巨星中窃取物质。(ESO) 这导致了一种新的、不同的理论，被称为“时空景观 (timescape) 模型”，最近的研究表明，该模型可能更准确地描述我们的宇宙。 Ryan Ridden 是新西兰基督城坎特伯雷大学的博士后研究员，他是最近发现背后的团队成员。 这是他与 _Quirks & Quarks _主持人 Bob McDonald 对话的一部分。

那么，在最初的超新星发现 25 年后，暗能量的想法到底有什么问题？ 所以暗能量的想法建立在一个非常大的假设之上，即宇宙是一种没有特征的流体。 在一定的尺度上，它在所有方向、所有地方都是相同的。 如果你用这种流体进行计算，你需要一种类似暗能量的物质的概念来使观测与数据相吻合。 一些不同的事情开始出现裂缝，比如我们开始看到宇宙中非常遥远的物体的分布不规则，如果宇宙是均匀的并且在所有方向上都相同，那么你不应该期望出现这种不规则。 我们还开始看到其他测量的问题，比如宇宙中星系分布的测量。 我们期望星系的分布受到宇宙早期发生的事情的控制，当时宇宙很小、很热而且很密集，并且声波可以通过。 暗能量光谱仪器 (Dark Energy Spectroscopic Instrument) 最近的一项结果表明，暗能量的想法也不能完全解释他们的测量结果。 他们开始认为可能需要像随时间演变的暗能量之类的东西来解释他们的观察结果。 An inset image zoomed out from a tiny area shows the web-like structure of our universe. 迄今为止我们宇宙中最大的 3D 地图，由暗能量光谱仪器 (DESI) 的数据制作，显示了宇宙物质的底层网状结构。(C. Mastro/Claire Lamman/DESI collaboration/)

那么我们的望远镜看到和测量的结果与暗能量模型不符，是这样吗？ 是的。 这几乎就是它的归结。 宇宙学的标准模型是宇宙的一个非常好的描述符。 与每个模型一样，它们仅在能够重现数据的情况下才是正确的。 现在我们在天文学领域进行了所有这些巨大而令人难以置信的调查，收集了大量的数据，这些数据使我们以前拥有的任何数据集都相形见绌，我们开始测试该模型的极限。 至少从我的角度来看，我们开始看到，我们为构建宇宙学标准模型所做的假设可能与我们在周围宇宙中看到的情况不太相符。

好的，那么，让我们转到可能更适合宇宙的另一种解释。 告诉我关于时空景观 (timescape) 模型的信息。 它是如何工作的？ 它从根本上不同于宇宙学的标准模型，因为它放弃了宇宙在每个方向上都是相同且均匀的这一假设。 相反，时空景观 (timescape) 模型的基础是，事实上，我们在当今周围的宇宙中看到，存在巨大的宇宙结构、巨大的丝状物和充满了星系和星系团的墙。 在这些丝状物和墙之间，我们有巨大的虚空。 Galaxies are laid out along the edges of a web-like netting with large voids of empty space in the holes. 该图说明了星系聚类对宇宙结构产生的累积影响。(NASA's Goddard Space Flight Center) 你可以想象一下，向充满肥皂的水中吹气。 你会在表面上形成所有的气泡。 这有点像我们今天的宇宙。 我们有星系沿着气泡边缘形成，以及气泡相遇的地方。 然后在中间几乎没有任何事情发生。 因此，时空景观 (timescape) 模型的想法是，这些结构将在我们宇宙的演变中发挥重要作用。 它们的工作方式是在广义相对论中，存在这样一种观点，即加速度或减速度会改变时间流逝的速度。 因此，你加速得越快，你的时钟走得就越慢。 因此，如果我们回到早期宇宙，当时宇宙非常平滑、炎热和密集，那么早期宇宙中存在微小的差异，稍微密集的区域和稍微不密集的区域。 更多密集区域和更少密集区域之间[初始]加速度的差异不一定很大，但是如果你快进到宇宙历史中并测量它们产生的累积影响，那么它会对时间在这些区域的流逝产生相当大的影响。 On the left there is a white light meant to depict the big bang and the outline of the cone expanding out shows the a bunch of galaxies and stars inside of it. 自大爆炸以来宇宙演化的表示。(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe consortium/NASA) 对于我们这些坐在宇宙密集区域的观察者来说，我们可能会发现宇宙大约有 142 亿年的历史。 但是对于这些巨大虚空的中心来说，你可能会发现它们有 210 亿年的历史。 因此，对于这些不同的地区来说，时间流逝的速度是不同的。

在空旷的空间里，时间流逝得比我们所在的密集地方快... 是的，没错。 因此，这与宇宙的减速有关，它为我们提供了宇宙中不同时间的可变时空景观 (timescape)。 因为我们经常假设整个宇宙只有一个固定的时间，即大约 137 亿年。 但我们从广义相对论中知道，这些效应必须产生某种影响。 因此，时空景观 (timescape) 模型深入研究了宇宙学的基本知识，质疑了那里的假设，然后构建了这个新的模型，该模型将广义相对论的更多方面纳入其中。

那么，这如何加起来看起来像一个正在加速的、正在加速的宇宙呢？ 是的，因此，当宇宙经历这些不同的时间框架时，你也会看到这些密集区域开始收缩。 它们变得越来越小。 而密度较低的区域或多或少以宇宙开始时的速度膨胀。 Four bright objects in space surrounded by galaxy light are clustered in space. 来自四个望远镜的数据被用来创建这张星系在彼此周围进行引力舞蹈的图像。(CXC/NASA/SAO/NASA-JPL/Caltech/ESA/CSA/STScI) 因此，随着时间的推移，宇宙的总体积将由这种以相同速率膨胀的空旷空间所主导。 对于像我们这样在密集区域的观察者来说，其效果是，当我们向外看穿这些巨大的空旷区域时，累积效应是它开始“显得”整个宇宙都在加速膨胀，但这只是我们在宇宙中所处位置的结果，我们拥有的这种质量偏差位置。

关于作者

Sonya Buyting 制片人 Sonya Buyting 是一位屡获殊荣的科学记者，当她从事科学前沿的故事时，她的大脑处于快乐状态。 Sonya 是加拿大探索频道《每日星球》和空难调查节目《空中浩劫》的 CBC Radio 每周科学广播节目 Quirks & Quarks 的制片人。 问答经过编辑，以使其更简洁明了。