儘管一個多世紀以來人們不斷努力想證明他錯了，但阿爾伯特·愛因斯坦似乎仍然不會犯錯。或者至少他的狹義相對論是這樣的，該理論預測，對於以極高速度運動的物體，時間會變慢。 這種效應被稱為時間膨脹，強度隨著物體運動速度越接近光速而增加，但這又非常主觀：加速星艦上的乘客會感覺時間正常流逝，但外部觀察者會看到星艦的速度越接近光速就越慢。 儘管這種效應可能違反直覺，但它已經在從繞地球衛星到遙遠星系的所有物體的運動中得到了檢驗和證實。 現在，一群科學家透過觀察宇宙中超過1,500顆超新星，進一步推進了此類測試，揭示了時間膨脹在驚人的宇宙尺度上的影響。 研究人員的發現再次得出了一個非常熟悉的結論。“愛因斯坦又一次是正確的，”悉尼大學的傑蘭特·劉易斯說，他是這項研究的合著者。
在本月早些時候釋出在預印本伺服器arXiv.org上的論文中，澳大利亞昆士蘭大學的瑞安·懷特和他的同事使用了來自暗能量巡天（DES）的資料來研究時間膨脹。 在過去的十年中，參與DES的研究人員一直在智利托洛洛山美洲際天文臺的維克托·M·布蘭科望遠鏡上研究特定的爆炸恆星，稱為Ia型超新星，跨越數十億年的宇宙歷史。 利用這個龐大的超新星資料集，DES試圖微調我們對宇宙加速膨脹的理解，這種膨脹似乎是由神秘的暗能量驅動的； 今年1月，研究人員利用該資料集暗示這種加速可能會隨時間變化。
作為額外的好處，DES超新星資料為科學家提供了一個新的機會來研究宇宙學時間膨脹——即由宇宙膨脹引起的時間膨脹。 這種膨脹的一個結果是，更遙遠的物體比更近的物體更快地遠離我們——這意味著DES觀察到的宇宙越遠，時間膨脹的影響應該就越強。“如果我們看到其他情況，那將表明宇宙學的基礎確實存在根本性的錯誤，”昆士蘭大學的塔瑪拉·戴維斯說，她是該論文的合著者。“我喜歡我們實際上可以看到時間膨脹正在發生的事實。 從你檢視資料的那一刻起，它就顯而易見了。”
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這種關係本身非常簡單：超新星特徵性的閃爍和衰退將被拉長的量是 1 + z 的一個因子，其中 z 是超新星的紅移，衡量宇宙膨脹拉伸超新星發射到地球的光線的程度。 紅移越高，對應的宇宙距離越遠。“我們生活在一個膨脹的宇宙中，其後果之一應該是，與今天的宇宙相比，我們觀察到的更遙遠的宇宙以慢動作執行，”劉易斯說。
對於附近宇宙中的物體，紅移接近於零，宇宙學時間膨脹的影響非常小。 但是宇宙是巨大的——例如，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）最近探測到一個遙遠的星系，其創紀錄的紅移為 14.32，僅在大爆炸後2.9億年。 通常，從第一次爆發到最後的餘輝，超新星可能會持續三個月左右，但是當時間膨脹發揮作用時，紅移為 1 的超新星的持續時間似乎會增加一倍。
宇宙學時間膨脹早已為人所知，但測量它很困難。 我們一些最好的努力已經計時了伽馬射線暴，這是在整個宇宙中看到的異常明亮的能量閃光，或者是類星體，即超大質量黑洞周圍旋轉物質的明亮和高溫區域。 去年，劉易斯使用了大約 200 個類星體來研究宇宙學時間膨脹，他幾乎能夠看到這種精確的 1 + z 關係在起作用，但具有相當大的不確定性。 懷特的工作使用了更大的超新星樣本，這些超新星比類星體更可預測，從而可以進行更精確的測量。
Ia型超新星是關鍵的宇宙爆炸，當一顆白矮星——一顆中等大小恆星緩慢冷卻的殘骸——從一顆伴星虹吸過多的物質時，它會點燃熱核反應並爆炸。 這種爆炸發生在不斷增長的白矮星達到太陽質量的約 1.44 倍時，這個閾值被稱為錢德拉塞卡極限。 這個物理基線賦予了所有Ia型超新星相當一致的亮度，使它們成為衡量星系間距離的有用宇宙信標。“無論你在宇宙中的哪個位置觀察，它們本質上都應該是同一種事件，”懷特說。“它們都來自爆炸的白矮星，無論它們在哪裡，爆炸都發生在幾乎完全相同的質量下。”
這些超新星在整個可觀測宇宙中的堅定性使它們成為時間膨脹的有效探測器——原則上，沒有什麼其他因素能如此徹底和精確地減緩它們的表觀程序，與越來越大的距離同步。 懷特的論文使用了來自DES的1,504顆超新星的資料集，以驚人的精度表明，這種相關性一直成立到紅移 1.2，即宇宙大約五十億年前的時候。“這是迄今為止對宇宙學時間膨脹的‘最精確測量’，”懷特說，比之前使用較少超新星的宇宙學時間膨脹測量精確七倍。
密西西比大學的阿米特什·辛格說，這個結果“非常令人印象深刻”，他指出，測量時間膨脹是“宇宙膨脹最直接的證據之一”。 然而，考慮到很少有（如果有的話）信譽良好的宇宙學家會認為宇宙沒有膨脹或狹義相對論是錯誤的，因此進行這種測量本身並不是一個革命性的結果。“當我說這並不令人驚訝時，我並不是想諷刺，”新墨西哥大學洛斯阿拉莫斯分校的妮可·勞埃德-羅寧說。 但是，她補充說，“這是對我們感覺我們知道的物理學的證實。 這是狹義相對論和宇宙膨脹的體現。”
然而，時間膨脹確實帶來了一些有趣的難題，尤其是在對遙遠宇宙的研究中。 最近，JWST揭示了延伸到遙遠宇宙的超新星，包括一顆紅移為2.9的Ia型超新星，或大約在大爆炸後20億年，這是迄今為止看到的最遙遠的一顆。 由於時間膨脹，“在紅移為 2 時，你乘以 3，”太空望遠鏡科學研究所的天文學家奧裡·福克斯說。 這意味著，從地球上看，紅移為 2 的事件將持續“大約九個月到一年”，他說。 但是在更高的紅移下，“你談論的是以年為單位的時間尺度，”福克斯說，這使得在更早期的宇宙中尋找超新星變得困難，因為天文學家在比較潛在的超新星宿主星系的前後影像時會尋找它們。“如果你的紅移為 10，那麼現在你要說至少四年，”才能看到超新星開啟和關閉，他說。
暗能量巡天的這個特別關注超新星的方面已經結束，因此在獲得新的資料集之前，懷特對宇宙學時間膨脹的測量不太可能被超越。“這是一個非常確定的測量，”戴維斯說。“你真的不需要做得更好。” 有了這項測量結果，任何人為我們所謂的宇宙無知而絞盡腦汁的人都可以輕鬆休息了：我們描述宇宙的最佳理論似乎仍然成立——這當然並不意味著我們不應該進行檢查。“其中一個假設是我們生活在一個由愛因斯坦方程描述的宇宙中，”劉易斯說。“我們不能只是說說而不做任何事情。 我們需要檢驗我們的假設。”