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科学家们正在用一种名为"时景"（timescape）的新模型挑战暗能量的存在，该模型认为宇宙的膨胀可能受到其不均匀结构的影响，而不是受到一种无形力量的影响。这一理论可以解决当前的宇宙学争论，即将到来的卫星数据将在证实其有效性方面发挥关键作用。

暗能量一直被认为是科学界最大的谜团之一，但据研究宇宙如何膨胀的研究人员称，暗能量可能根本不存在。

在过去的一个世纪里，物理学家普遍认为宇宙在各个方向上都是均匀增长的。 为了解释无法解释的现象，他们提出了暗能量的概念--一种理论上的占位符。 然而，这一想法一直面临着挑战和矛盾。

时景模型： 宇宙膨胀的新视角

现在，新西兰克赖斯特彻奇坎特伯雷大学的一组物理学家和天文学家正在重新思考这种方法。 通过更精确地分析超新星的光变曲线，他们发现宇宙的膨胀并不是均匀的，而是以一种更不规则、更"肿胀"的方式发生的。

新证据支持宇宙膨胀的"时景"模型，该模型不需要暗能量，因为拉伸光的差异不是宇宙加速的结果，而是我们如何校准时间和距离的结果。

通过这幅图，我们可以一窥目前所了解的宇宙历史。 宇宙随着大爆炸开始膨胀，但大约 100 亿年后，由于一种被称为暗能量的理论现象，宇宙奇怪地开始加速膨胀。 资料来源：美国国家航空航天局

时景模型的意义

该模型考虑到引力会减慢时间，因此空旷太空中的理想时钟会比星系内的时钟走得快。银河系中的时钟会比大宇宙空洞中平均位置的时钟慢大约35%，这意味着空洞中的时钟会多走数十亿年。 这反过来又会让空间膨胀得更快，当这种巨大的空洞逐渐成为宇宙的主宰时，就会让人觉得膨胀的速度越来越快。

领导这项研究的大卫-威尔特希尔教授说："我们的研究结果表明，我们并不需要暗能量来解释为什么宇宙看起来在加速膨胀。暗能量是对膨胀动能变化的误认，而膨胀动能在像我们实际生活的宇宙这样多变的宇宙中并不均匀。"这项研究提供了令人信服的证据，可能会解决围绕我们不断膨胀的宇宙的一些关键问题。有了新的数据，宇宙最大的谜团可能会在本十年末得到解答。"

新的分析结果发表在《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters）杂志上。

传统暗能量理论与时代景象

暗能量通常被认为是一种独立于物质之外的弱反引力，约占宇宙质能密度的三分之二。宇宙的标准兰姆达冷暗物质（ΛCDM）模型需要暗能量来解释观测到的宇宙膨胀加速现象。

科学家们得出这一结论的依据是对遥远星系中超新星爆炸距离的测量结果，如果宇宙的膨胀没有加速，这些星系似乎比它们应该在的距离更远。

这幅图显示了利用广义相对论进行的宇宙学模拟中出现的宇宙网。 左起为宇宙大爆炸后 30 万年，右起为与当今宇宙相似的宇宙。 暗色区域没有物质，理想的时钟会在这里运行得更快，为空间膨胀留出更多时间。 浅紫色区域密度较大，时钟运行速度较慢，这意味着在宇宙学的"时景"模型下，宇宙膨胀的加速度并不均匀。 图片来源：Hayley Macpherson， Daniel Price， Paul Lasky / Physical Review D 99 (2019) 063522

当前标准模型面临的挑战

然而，宇宙目前的膨胀速度正日益受到新观测数据的挑战。首先，来自宇宙大爆炸余辉--即宇宙微波背景（CMB）--的证据显示，早期宇宙的膨胀与目前的膨胀不一致，这种反常现象被称为"哈勃张力"。此外，"暗能量光谱仪"（DESI ）最近对新的高精度数据进行的分析发现，ΛCDM模型与暗能量随时间"演化"而不是保持恒定的模型并不匹配。

哈勃张力和DESI揭示的惊喜在使用已有100年历史的简化宇宙膨胀定律--弗里德曼方程--的模型中都难以解决。它假定，平均而言，宇宙是均匀膨胀的--就好像所有的宇宙结构都可以通过搅拌机搅拌成一碗没有任何复杂结构的无味汤。 然而，目前的宇宙实际上包含了一个由星系团组成的复杂的宇宙网，这些星系团呈片状和丝状，环绕和贯穿着巨大的空洞。

威尔希尔教授补充说："我们现在拥有如此多的数据，以至于在 21 世纪，我们终于可以回答这个问题--简单的平均膨胀定律是如何以及为什么从复杂性中产生的？符合爱因斯坦广义相对论的简单膨胀定律并不一定要服从弗里德曼方程。"

未来研究方向与结论

研究人员说，2023年7月发射的欧洲航天局的欧几里得望远镜有能力测试并区分弗里德曼方程和时景替代方案。 不过，这需要至少1000次独立的高质量超新星观测。

在2017年对所提出的时景模型进行最后一次测试时，分析表明该模型仅比ΛCDM对宇宙膨胀的解释稍好一些，因此克赖斯特彻奇研究小组与Pantheon+合作小组密切合作，后者煞费苦心地制作了一份包含1535个不同超新星的目录。

他们说，新数据现在为时景提供了"非常有力的证据"。 它还可能为解决哈勃张力和其他与宇宙膨胀有关的异常现象提供了令人信服的答案。

研究人员说，还需要从欧几里得和南希-格雷斯罗曼太空望远镜进行进一步的观测，以加强对时景模型的支持。

DOI: 10.1093/mnras/stae2437

编译自/scitechdaily