從標準燭光到暗能量危機：新研究或推翻25年來的宇宙學共識

在過去的四分之一個世紀里，ΛCDM 模型一直是描述宇宙演化的標準框架。該模型的核心成功之一，是基于 Ia 型超新星觀測得出的驚人結論：宇宙的膨脹正在加速，這一加速歸因于神秘的暗能量。然而，宇宙學在近年來遭遇了數個“沖突”，即不同觀測手段得出的宇宙學參數存在系統(tǒng)性不一致。

由 Junhyuk Son 及其合作者發(fā)表的論文《Strong progenitor age bias in supernova cosmology – II. Alignment with DESI BAO and signs of a non-accelerating universe》，直接攻擊了加速膨脹證據的基石——Ia型超新星作為標準燭光的可靠性。該研究的核心論點是：Ia型超新星的亮度校準過程存在一個被忽略的、與前身星年齡相關的強烈系統(tǒng)性偏差，一旦校正，不僅消除了與最新的DESI BAO（重子聲學振蕩）結果的沖突，更將ΛCDM 模型的沖突推向了極高的置信度，暗示宇宙可能早已進入減速膨脹階段。

一、Ia型超新星：前身星年齡偏差

Ia 型超新星之所以能作為宇宙的“標準燭光”，是因為它們被認為是由白矮星在達到某個臨界質量（錢德拉塞卡極限）時爆炸產生的，因此爆炸時的內在亮度被假定為基本一致。通過觀測其表觀亮度，天文學家可以計算出它們與地球的距離，進而描繪出宇宙的膨脹歷史。然而，這項新研究指出，這個“標準”假設被超新星前身星的年齡嚴重破壞。

1. 強烈的5σ相關性

論文利用對超新星宿主星系（即超新星爆發(fā)的星系）的直接、廣泛的年齡測量，發(fā)現了標準化后的超新星星等與前身星年齡之間存在高達5.5σ的顯著相關性。具體表現為：

• 來自較年輕恒星群的超新星在亮度校準后顯得系統(tǒng)性地更暗。
• 來自較年老恒星群的超新星則顯得系統(tǒng)性地更亮。

這種亮度差異（大約0.16星等）隨紅移（距離）的變化積累，會在宇宙學尺度上產生嚴重的系統(tǒng)性偏差，扭曲了我們對距離的測量，并錯誤地將遙遠的超新星解讀為比實際更暗（或更遠），從而夸大了宇宙的加速效應。

2. 質量-步長校正的失敗

在超新星宇宙學中，天文學家們通常會使用一個被稱為質量-步長校正（mass-step correction）的方法，來部分校正宿主星系質量對超新星亮度的影響。該論文明確指出，這種傳統(tǒng)的質量校正機制是不足夠的。

原因是前身星年齡和宿主星系質量是兩個獨立演化的物理量。質量-步長校正可能捕捉到了與質量相關的效應，但卻無法有效消除與年齡相關的偏差。由于在宇宙學時間尺度上，超新星的平均前身星年齡隨紅移顯著變化（即高紅移處的超新星通常更年輕），這種未校正的年齡偏差會隨著距離的增加而系統(tǒng)性地增加，使加速膨脹的測量結果成為一個天文物理學假象，而非純粹的宇宙學信號。

二、宇宙學探針的統(tǒng)一：與DESI BAO的對齊

該論文的第二階段工作，是解決這種年齡偏差并觀察其對宇宙學參數的影響。

1. 修正后的超新星數據

研究人員設計并實施了一種新的校正方法，專門針對前身星年齡偏差隨紅移的系統(tǒng)性變化進行修正。一旦將這種年齡偏差效應從Ia型超新星數據中移除，超新星數據集對宇宙學參數的約束發(fā)生了顯著變化。

最引人注目的結果是，修正后的超新星數據不再與ΛCDM 模型所推崇的宇宙學常數（即暗能量強度恒定）保持一致，而是傾向于一個時變暗能量模型。

2. 與DESI BAO的協(xié)同

DESI（暗能量光譜儀）的最新BAO數據，獨立于超新星測量，其結果與 CMB 觀測結合后，傾向于一個ω0ωaCDM 模型，該模型允許暗能量狀態(tài)方程ω隨時間（紅移）變化。雖然DESI團隊在綜合分析中仍然得出了宇宙正在加速的結論，但其 BAO+CMB 獨立分析的結果則顯示出向非ΛCDM 模型的傾向。

Son等人的研究發(fā)現，經過年齡校正的超新星數據，與這個 BAO+CMB 獨立分析所傾向的ω0ωaCDM時變暗能量模型達到了更高的吻合度。這表明，當兩種主要的宇宙學探針（Ia型超新星和 BAO/CMB）都從其各自的系統(tǒng)性誤差中解放出來時，它們指向了同一個結論：暗能量并非恒定，而是隨時間減弱。

三、終極挑戰(zhàn)：非加速宇宙與9σ矛盾

該論文最重要的結論，發(fā)生在三種宇宙學探針——校正后的SNe、BAO 和 CMB——被聯合分析時。

在傳統(tǒng)的ΛCDM框架下，當這些校正后的數據被共同使用時，它們與ΛCDM模型之間的沖突暴增至9σ以上。在科學上，5σ通常被認為是“發(fā)現”的門檻；超過9σ的不一致性，意味著ΛCDM 模型在當前數據面前被壓倒性地排除。

這一結果的物理含義極為深遠：

1. 暗能量的演化：強烈的沖突要求暗能量的狀態(tài)方程ω（定義為壓力與密度的比值）必須顯著地隨時間演化，而不是像ΛCDM 模型中那樣恒定地等于ω=-1。
2. 宇宙減速膨脹：基于這種時變暗能量模型，論文指出，經過年齡校正的Ia型超新星數據與 BAO/CMB 結果一致地表明，宇宙的膨脹已經停止了加速，并進入了減速膨脹階段。這徹底推翻了“宇宙正在加速”這一二十世紀末最重要的科學發(fā)現之一。

結論與展望

這篇論文通過揭示并修正 Ia 型超新星距離測量中的前身星年齡偏差，引發(fā)了宇宙學領域的潛在地震。它將宇宙學的沖突從對哈勃常數H0的爭議，轉移到了對宇宙學常數Λ及其背后的暗能量本質的根本性質的質疑。

如果這項發(fā)現得到進一步驗證，它不僅會使ΛCDM模型黯然失色，還迫使天文學家和理論物理學家重新設計暗能量的物理學模型，探索更復雜的時變暗能量形式，甚至重新評估廣義相對論在宇宙尺度上的有效性。

這項研究開啟了一個充滿挑戰(zhàn)但也充滿機遇的新時代，要求我們以更細致入微的視角去理解超新星的形成與死亡，才能真正解鎖它們所攜帶的宇宙奧秘。