宇宙学地震!暗能量根本不存在?

作者: 吴非

来源: 环球科学

发布日期: 2020-01-13 11:13:55

韩国延世大学的一项研究对宇宙学的根基发起了挑战,提出Ia型超新星的绝对亮度与恒星群年龄有关,这可能意味着宇宙没有在加速膨胀,暗能量也根本不存在。

我们的宇宙由普通物质、暗物质和暗能量组成。自从20世纪末,天文学家发现宇宙在加速膨胀以来,“暗能量”的概念早已深入人心。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?宇宙是否和我们预期的不一样?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……

1992年4月的一天,加州大学伯克利分校的天体物理学家萨尔·佩尔穆特带领团队,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。

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。

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。

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·施密特和亚当·里斯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。

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。

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。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。

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。

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。

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