宇宙加速膨脹或無需暗能量，宇宙空洞提供新解釋

新研究指出，要解釋宇宙膨脹的加速現象，或許不需要暗能量——反而認為宇宙中空曠的巨大空洞正製造出一種錯覺。

科學家表示，驅動宇宙加速膨脹的神秘力量——暗能量，可能實際上並不存在。他們的研究對現代宇宙學的基石之一提出了質疑。

在2024年12月19日發表於《皇家天文學會月刊》的一項新研究中，研究人員分析了來自「萬神殿+」調查（Pantheon+ survey）的資料。「萬神殿+」調查是有關Ia型超新星最全面的資料集，Ia型超新星亮度一致，能讓天文學家以極高的精準度測量宇宙中的距離。他們的分析顯示，我們所感知到的宇宙加速膨脹，可能是由宇宙大尺度結構造成的錯覺。

Ia型超新星是白矮星爆炸死亡的現象，長久以來一直是宇宙學中最強有力的工具之一。當一顆白矮星從伴星吸積足夠的物質，引發熱核爆炸時，就會發生這些恆星事件。由於Ia型超新星產生的峰值亮度一致，從地球觀測時測量它們的亮度，就能揭示它們的距離。

研究共同作者、紐西蘭坎特伯雷大學的研究員扎卡里·萊恩（Zachary Lane）在一封電子郵件中告訴《生活科學》（Live Science）：「Ia型超新星在天文學中極具價值，因為它們就像可標準化的蠟燭，讓我們能測量宇宙中的巨大距離。」

科學家將這些距離資訊與超新星的紅移（因宇宙膨脹，光被拉伸到更長的波長，即向紅端移動）相結合，繪製出了宇宙隨時間的演化圖。數十年前，研究人員用這種方法證明宇宙的膨脹正在加速，這一發現催生了暗能量假說——一種被認為瀰漫於空間、驅動這種加速的神秘、看不見的力量。

「萬神殿+」資料集是有史以來最龐大、最精準的Ia型超新星資料集合。它跨越了數十年，來自地面和太空望遠鏡的觀測，包含了時空中1500顆超新星的資料。

萊恩表示：「在進行這項研究時，『萬神殿+』Ia型超新星光譜資料集是最大且最原始的純Ia型超新星集合。」

該資料集的精準度和規模，使其成為測試宇宙學模型的寶庫。它對亮度和紅移的詳細記錄，為瞭解宇宙如何演化提供了無可比擬的見解，為替代標準宇宙學模型的理論提供了關鍵的測試平臺。

儘管暗能量的概念解釋了宇宙中觀測到的許多加速現象，但它一直帶有神秘色彩。暗能量從未被直接探測到，其起源也未在理論上得到解釋，這促使一些科學家探索其他解釋。

這項新研究針對標準模型的一個關鍵假設：宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的，也就是說從每個方向和每個觀測點看，宇宙都是一樣的。

這個假設是需要暗能量來解釋宇宙膨脹的基礎。然而，萊恩和他的同事們測試了另一個稱為「時間景觀模型」（timescape model）的想法，該模型認為，表面上的加速可能是宇宙空洞等宇宙結構的副產物。宇宙空洞是星系團之間廣袤、近乎空曠的空間區域。

萊恩說：「宇宙學的標準模型建立在這樣的假設之上，即宇宙在大尺度上是均勻且無特色的，宇宙結構不會對宇宙的演化產生重大影響。『時間景觀模型』拋棄了這些假設，發現宇宙表面上的加速是宇宙結構之間相互作用的結果。」

由於物質和引力稀疏，空洞比宇宙中密度更高的部分（如星系團）膨脹得更快。根據「時間景觀模型」，這些空洞在宇宙中的主導地位，或可解釋觀測到的加速現象，而無需暗能量。

研究團隊分析了「萬神殿+」資料集，發現結果與「時間景觀模型」非常吻合——在某些情況下甚至比標準宇宙學模型表現得更好。

萊恩說：「當考慮到每顆超新星，包括那些在銀河系中離我們非常近、可能受到區域性結構影響的超新星時，我們發現強烈傾向於支援『時間景觀模型』。」當排除附近宇宙中的超新星以考慮區域性差異時，證據仍然支援該模型，這與「暗能量調查」（Dark Energy Survey，DES）的發現相呼應。

這些結果直接對暗能量的必要性提出了挑戰。萊恩說：「使用歷史上最重要的觀測方法之一，不斷找到支援無暗能量宇宙學模型的中度或更強證據，對於宇宙學的未來而言，是一個值得探索的令人興奮的前景。」

儘管研究結果很有說服力，但萊恩強調，需要進一步研究以鞏固「時間景觀模型」的論據。他說：「要使這個模型在宇宙學界更為確立，還需要考慮其他因素，但這證明瞭它是一個有前途的初步測試。」

未來，研究團隊計劃將「萬神殿+」資料集與「暗能量調查」以及重子聲學振盪（星系分佈中的模式，可用作另一種宇宙尺度）的資料相結合。天文學家們也在進行模擬，研究在廣義相對論框架下空洞如何膨脹，並探索這些效應如何應用於星系的形成和演化。

萊恩說：「我們的研究小組正在探索目前工作的幾個拓展方向，旨在挑戰宇宙學的基礎方面。一個強有力的競爭性框架仍將促進宇宙學的未來發展，以及我們目前對該領域所面臨挑戰的理解。」