宇宙嘅膨脹速度,究竟仲係加快,定係其實已經開始放慢?這場近年的宇宙學爭論,表面上係Yonsei大學同英國Southampton大學兩個研究團隊嘅交鋒,實際核心就係:天文學家用嚟量度宇宙距離嘅Ia型超新星,會唔會因為前身星年齡不同而出現系統性偏差。
目前答案仍未有定案。Yonsei認為,超新星經過一般標準化處理後,仍然保留同星系內恆星年齡有關嘅亮度差異;Southampton團隊就認為,呢種影響被高估,現有數據仍然最支持宇宙加速膨脹。
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點解Ia型超新星咁重要?
Ia型超新星常被稱為「標準燭光」。簡單講,天文學家會將超新星睇到嘅亮度,同佢理論上應有嘅本身亮度比較,從而估算距離。再將距離同紅移,即光線因宇宙膨脹而出現嘅波長拉長,放埋一齊,就可以重建宇宙過去嘅膨脹歷史。
但如果超新星嘅真正亮度會隨前身星年齡改變,即使做完一般修正,較遠、較早期宇宙嘅超新星仍可能同附近超新星有系統性差異。咁樣就有機會令宇宙膨脹速度嘅判斷出現偏差。
Yonsei喺2025年提出咩?
Yonsei團隊喺2025年11月發表研究,指經標準化處理後嘅Ia型超新星亮度,同宿主星系內恆星族群嘅年齡仍有明顯關係。團隊認為,隨住紅移增加,宿主星系嘅平均年齡亦會改變,呢個變化可能令超新星距離估算出現重要系統誤差。
研究團隊修正所謂「年齡偏差」後,認為數據未有令人信服嘅證據支持宇宙現時仍在加速膨脹,甚至提出宇宙可能已經進入減速膨脹階段。
如果呢個結論最終獲得證實,影響會相當大。現時主流嘅ΛCDM模型,將宇宙晚期加速膨脹歸因於宇宙常數Λ,亦即最簡單版本嘅暗能量。若宇宙近期由加速轉為減速,就可能代表暗能量會隨時間演化或減弱,又或者天文學家需要重新檢視超新星測量方法甚至引力理論。
Southampton團隊點樣反駁?
2026年6月,由Southampton大學主導、包括諾貝爾獎得主Adam Riess及Brian Schmidt嘅國際團隊,重新分析相關數據,認為宇宙仍然按原先預期加速膨脹。團隊主要提出兩項質疑。
1. 星系年齡唔等於爆炸恆星年齡
Yonsei以宿主星系嘅恆星族群平均年齡,作為超新星前身星年齡嘅代理指標。Southampton就指出,兩者並唔係同一樣嘢:一個星系可以同時擁有新形成同埋非常古老嘅恆星,所以星系嘅平均年齡未必可以直接代表今次爆炸嗰粒白矮星或者其前身系統嘅年齡。
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按Southampton嘅理解,星系平均年齡隨紅移嘅變化,唔可以自動等同於超新星前身星年齡嘅相同變化。換句話講,Yonsei所估計嘅年齡偏差,可能將星系層面嘅變化誇大咗。
2. 有冇漏咗星系質量修正?
Southampton亦指,Yonsei嘅分析冇加入現代超新星研究慣常使用嘅宿主星系質量修正,通常叫做「mass step」。呢項修正係因為超新星亮度同宿主星系嘅環境特徵有關,而呢啲特徵亦往往同恆星年齡及星系質量相關。
Southampton將相關修正套用返同一批數據後,發現星系年齡同「哈勃殘差」之間嘅關係弱得多。哈勃殘差係指超新星完成標準化後,實際量度亮度同預期亮度之間嘅差異。團隊因此認為,單靠年齡修正唔足以消除宇宙加速膨脹嘅證據。
Yonsei再反駁:分析可能將關係拉平
Yonsei並唔接受Southampton嘅結論,最新分析指出,Southampton將紅移範圍大約由z = 0.04至z = 0.42嘅超新星放埋一齊處理。
喺呢個範圍內,宿主星系平均年齡大約相差30億年。Yonsei認為,如果喺回歸分析之前,先將年齡差異咁大嘅對象混合處理,就可能令年齡同亮度嘅真正關係睇落比實際更平,即係人為削弱咗相關斜率。
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Yonsei亦指出,Southampton將兩個互相有關嘅量睇得太獨立:
- 年齡同超新星亮度之間關係嘅斜率;
- 超新星前身星年齡隨紅移改變嘅幅度。
即使前身星年齡嘅演化幅度比宿主星系平均年齡細,只要年齡—亮度斜率足夠大,兩者相乘後嘅總修正仍然可以相當重要。Yonsei亦質疑,Southampton對星系質量同塵埃嘅處理方式,會唔會不經意地壓低咗年齡訊號。
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真正爭緊嘅唔只係「加速定減速」
所以,呢場爭論唔係簡單嘅「一邊話加速,另一邊話減速」。雙方更根本嘅分歧係:Ia型超新星數據,究竟有冇充分修正恆星族群、星系環境同選擇效應造成嘅影響。
Southampton認為:
- 星系平均年齡唔可以直接當成超新星前身星年齡;
- 星系質量修正已經吸收咗大部分表面上嘅年齡效應;
- 剩低嘅年齡修正太細,唔足以推翻宇宙加速膨脹嘅宇宙學解釋。
Yonsei就認為:
- 雖然宿主星系年齡只係代理指標,但佢同星系恆星族群有關,使用上有理據;
- 將太闊紅移範圍嘅超新星混合分析,會低估年齡—亮度關係嘅斜率;
- 即使前身星年齡演化幅度較小,較大嘅年齡—亮度斜率仍然可以產生重要修正。
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未有更多獨立、更大同更一致嘅樣本之前,雙方都未足以將主流宇宙學徹底推翻。
DESI數據係咪支持暗能量會變?
Dark Energy Spectroscopic Instrument,即DESI,提供咗另一種觀察宇宙膨脹歷史嘅方法。DESI透過量度重子聲學振盪(BAO),建立距離同紅移之間嘅關係;BAO同超新星係兩種唔同嘅宇宙學探針。
部分將DESI數據同宇宙微波背景(CMB)及超新星數據結合嘅分析,對暗能量隨時間演化嘅模型有偏好。例如,DESI BAO同CMB其中一個組合,相對ΛCDM模型嘅偏好達到3.1 sigma;加入唔同超新星樣本後,統計偏好就會因樣本而改變。
不過,呢啲結果唔等於獨立證明宇宙今日已經開始減速。BAO主要限制宇宙距離同膨脹歷史,而將呢啲限制解讀成「暗能量正在演化」,始終取決於所採用嘅模型同數據組合。較新分析仍然形容相關偏好屬溫和或未具決定性,亦有研究認為,相比ΛCDM並未有統計上顯著嘅優勢。
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未來可以點樣分出真偽?
一個較直接嘅測試方法,係喺唔同紅移範圍比較宿主星系恆星年齡非常接近嘅超新星。咁樣可以減少對大型理論年齡修正嘅依賴,亦較容易分辨亮度演化究竟係真實物理效應,定係樣本組成造成。
未來幾方面嘅數據都會相當重要:
- 更大、選取方法更一致嘅Ia型超新星樣本;
- 宿主星系嘅光譜觀測;
- 更清楚區分整個星系恆星族群年齡,同真正超新星前身系統年齡;
- 獨立檢驗星系質量、塵埃同局部環境嘅影響;
- Vera C. Rubin天文台及Nancy Grace Roman太空望遠鏡帶來嘅新觀測。
目前最穩妥嘅結論
到目前為止,最審慎嘅講法仍然係:宇宙加速膨脹依然係主流解釋,但Ia型超新星嘅人口系統誤差,以及暗能量係咪真正恆定,仍然係活躍研究問題。Southampton認為Yonsei嘅年齡修正過大;Yonsei就反駁話,Southampton低估咗年齡—亮度斜率,亦冇正確處理前身星年齡演化同斜率之間嘅數學關係。
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DESI數據就為「暗能量可能隨時間變化」保留咗空間,但距離證明宇宙已經由加速轉為減速,仍然相差甚遠。最終答案,要等更精準嘅超新星觀測,同其他獨立宇宙學測試一齊驗證。