科學家們正在用一種名為”時景”（timescape）的新模型挑戰暗能量的存在，該模型認為宇宙的膨脹可能受到其不均勻結構的影響，而不是受到一種無形力量的影響。這個理論可以解決當前的宇宙學爭論，即將到來的衛星數據將在證實其有效性方面發揮關鍵作用。

暗能量一直被認為是科學界最大的謎團之一，但據研究宇宙如何膨脹的研究人員稱，暗能量可能根本不存在。

在過去的一個世紀裡，物理學家普遍認為宇宙在各個方向上都是均勻成長的。 為了解釋無法解釋的現象，他們提出了暗能量的概念–一種理論上的佔位符。 然而，這想法一直面臨挑戰和矛盾。

時景模型： 宇宙膨脹的新視角

現在，紐西蘭克賴斯特徹奇坎特伯雷大學的一群物理學家和天文學家正在重新思考這種方法。 透過更精確地分析超新星的光變曲線，他們發現宇宙的膨脹並不是均勻的，而是以一種更不規則、更”腫脹”的方式發生的。

新證據支持宇宙膨脹的”時景”模型，該模型不需要暗能量，因為拉伸光的差異不是宇宙加速的結果，而是我們如何校準時間和距離的結果。

透過這張圖，我們可以一窺目前所了解的宇宙史。 宇宙隨著大爆炸開始膨脹，但大約100 億年後，由於一種被稱為暗能量的理論現象，宇宙奇怪地開始加速膨脹。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

時景模型的意義

此模型考慮到重力會減慢時間，因此空曠太空中的理想時鐘會比星系內的時鐘走得快。銀河系中的時鐘會比大宇宙空洞中平均位置的時鐘慢大約35%，這意味著空洞中的時鐘會多走數十億年。 這反過來又會讓空間膨脹得更快，當這種巨大的空洞逐漸成為宇宙的主宰時，就會讓人覺得膨脹的速度越來越快。

領導這項研究的大衛威爾特希爾教授說：「我們的研究結果表明，我們並不需要暗能量來解釋為什麼宇宙看起來在加速膨脹。暗能量是對膨脹動能變化的誤認，而膨脹動能在像我們實際生活的宇宙這樣多變的宇宙中並不均勻。有了新的數據，宇宙最大的謎團可能會在本世紀末得到解答。 “

新的分析結果發表在《皇家天文學會月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters）雜誌上。

傳統暗能量理論與時代景象

暗能量通常被認為是一種獨立於物質之外的弱反引力，約佔宇宙質能密度的三分之二。宇宙的標準蘭姆達冷暗物質（ΛCDM）模型需要暗能量來解釋觀測到的宇宙膨脹加速現象。

科學家們得出這一結論的依據是對遙遠星系中超新星爆炸距離的測量結果，如果宇宙的膨脹沒有加速，這些星系似乎比它們應該在的距離更遠。

這張圖顯示了利用廣義相對論進行的宇宙學模擬中出現的宇宙網。 左起為宇宙大爆炸後30 萬年，右起為與當今宇宙相似的宇宙。 暗色區域沒有物質，理想的時鐘會在這裡運行得更快，為空間膨脹留出更多時間。 淺紫色區域密度較大，時鐘運行速度較慢，這意味著在宇宙學的”時景”模型下，宇宙膨脹的加速度並不均勻。 圖片來源：Hayley Macpherson， Daniel Price， Paul Lasky / Physical Review D 99 (2019) 063522

目前標準模型面臨的挑戰

然而，宇宙目前的膨脹速度正日益受到新觀測數據的挑戰。首先，來自宇宙大爆炸餘輝–即宇宙微波背景（CMB）–的證據顯示，早期宇宙的膨脹與目前的膨脹不一致，這種反常現像被稱為”哈伯張力」。此外，”暗能量光譜儀”（DESI ）最近對新的高精度數據進行的分析發現，ΛCDM模型與暗能量隨時間”演化”而不是保持恆定的模型並不匹配。

哈伯張力和DESI揭示的驚喜在使用已有1​​00年歷史的簡化宇宙膨脹定律–弗里德曼方程式–的模型中都難以解決。它假定，平均而言，宇宙是均勻膨脹的–就好像所有的宇宙結構都可以透過攪拌機攪拌成一碗沒有任何複雜結構的無味湯。 然而，目前的宇宙實際上包含了一個由星系團組成的複雜的宇宙網，這些星系團呈片狀和絲狀，環繞和貫穿著巨大的空洞。

威爾希爾教授補充說：「我們現在擁有如此多的數據，以至於在21 世紀，我們終於可以回答這個問題–簡單的平均膨脹定律是如何以及為什麼從複雜性中產生的？符合愛因斯坦廣義相對論的簡單膨脹定律不一定要服從弗里德曼方程式。

未來研究方向與結論

研究人員說，2023年7月發射的歐洲太空總署的歐幾里德望遠鏡有能力測試並區分弗里德曼方程式和時景替代方案。 不過，這需要至少1000次獨立的高品質超新星觀測。

在2017年對所提出的時景模型進行最後一次測試時，分析表明該模型僅比ΛCDM對宇宙膨脹的解釋稍好一些，因此克賴斯特徹奇研究小組與Pantheon+合作小組密切合作，後者煞費苦心地製作了一份包含1535個不同超新星的目錄。

他們說，新數據現在為時景提供了”非常有力的證據”。 它也可能為解決哈伯張力和其他與宇宙膨脹有關的異常現象提供了令人信服的答案。

研究人員說，還需要從歐幾裡得和南希-格雷斯羅曼太空望遠鏡進行進一步的觀測，以加強對時景模式的支持。

DOI：10.1093/mnras/stae2437

編譯自/ scitechdaily