尽管一个多世纪以来人们不断努力想证明他错了，但阿尔伯特·爱因斯坦似乎仍然不会犯错。或者至少他的狭义相对论是这样的，该理论预测，对于以极高速度运动的物体，时间会变慢。 这种效应被称为时间膨胀，强度随着物体运动速度越接近光速而增加，但这又非常主观：加速星舰上的乘客会感觉时间正常流逝，但外部观察者会看到星舰的速度越接近光速就越慢。 尽管这种效应可能违反直觉，但它已经在从绕地球卫星到遥远星系的所有物体的运动中得到了检验和证实。 现在，一群科学家通过观察宇宙中超过1,500颗超新星，进一步推进了此类测试，揭示了时间膨胀在惊人的宇宙尺度上的影响。 研究人员的发现再次得出了一个非常熟悉的结论。“爱因斯坦又一次是正确的，”悉尼大学的杰兰特·刘易斯说，他是这项研究的合著者。
在本月早些时候发布在预印本服务器arXiv.org上的论文中，澳大利亚昆士兰大学的瑞安·怀特和他的同事使用了来自暗能量巡天（DES）的数据来研究时间膨胀。 在过去的十年中，参与DES的研究人员一直在智利托洛洛山美洲际天文台的维克托·M·布兰科望远镜上研究特定的爆炸恒星，称为Ia型超新星，跨越数十亿年的宇宙历史。 利用这个庞大的超新星数据集，DES试图微调我们对宇宙加速膨胀的理解，这种膨胀似乎是由神秘的暗能量驱动的； 今年1月，研究人员利用该数据集暗示这种加速可能会随时间变化。
作为额外的好处，DES超新星数据为科学家提供了一个新的机会来研究宇宙学时间膨胀——即由宇宙膨胀引起的时间膨胀。 这种膨胀的一个结果是，更遥远的物体比更近的物体更快地远离我们——这意味着DES观察到的宇宙越远，时间膨胀的影响应该就越强。“如果我们看到其他情况，那将表明宇宙学的基础确实存在根本性的错误，”昆士兰大学的塔玛拉·戴维斯说，她是该论文的合著者。“我喜欢我们实际上可以看到时间膨胀正在发生的事实。 从你查看数据的那一刻起，它就显而易见了。”
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这种关系本身非常简单：超新星特征性的闪烁和衰退将被拉长的量是 1 + z 的一个因子，其中 z 是超新星的红移，衡量宇宙膨胀拉伸超新星发射到地球的光线的程度。 红移越高，对应的宇宙距离越远。“我们生活在一个膨胀的宇宙中，其后果之一应该是，与今天的宇宙相比，我们观察到的更遥远的宇宙以慢动作运行，”刘易斯说。
对于附近宇宙中的物体，红移接近于零，宇宙学时间膨胀的影响非常小。 但是宇宙是巨大的——例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）最近探测到一个遥远的星系，其创纪录的红移为 14.32，仅在大爆炸后2.9亿年。 通常，从第一次爆发到最后的余辉，超新星可能会持续三个月左右，但是当时间膨胀发挥作用时，红移为 1 的超新星的持续时间似乎会增加一倍。
宇宙学时间膨胀早已为人所知，但测量它很困难。 我们一些最好的努力已经计时了伽马射线暴，这是在整个宇宙中看到的异常明亮的能量闪光，或者是类星体，即超大质量黑洞周围旋转物质的明亮和高温区域。 去年，刘易斯使用了大约 200 个类星体来研究宇宙学时间膨胀，他几乎能够看到这种精确的 1 + z 关系在起作用，但具有相当大的不确定性。 怀特的工作使用了更大的超新星样本，这些超新星比类星体更可预测，从而可以进行更精确的测量。
Ia型超新星是关键的宇宙爆炸，当一颗白矮星——一颗中等大小恒星缓慢冷却的残骸——从一颗伴星虹吸过多的物质时，它会点燃热核反应并爆炸。 这种爆炸发生在不断增长的白矮星达到太阳质量的约 1.44 倍时，这个阈值被称为钱德拉塞卡极限。 这个物理基线赋予了所有Ia型超新星相当一致的亮度，使它们成为衡量星系间距离的有用宇宙信标。“无论你在宇宙中的哪个位置观察，它们本质上都应该是同一种事件，”怀特说。“它们都来自爆炸的白矮星，无论它们在哪里，爆炸都发生在几乎完全相同的质量下。”
这些超新星在整个可观测宇宙中的坚定性使它们成为时间膨胀的有效探测器——原则上，没有什么其他因素能如此彻底和精确地减缓它们的表观进程，与越来越大的距离同步。 怀特的论文使用了来自DES的1,504颗超新星的数据集，以惊人的精度表明，这种相关性一直成立到红移 1.2，即宇宙大约五十亿年前的时候。“这是迄今为止对宇宙学时间膨胀的‘最精确测量’，”怀特说，比之前使用较少超新星的宇宙学时间膨胀测量精确七倍。
密西西比大学的阿米特什·辛格说，这个结果“非常令人印象深刻”，他指出，测量时间膨胀是“宇宙膨胀最直接的证据之一”。 然而，考虑到很少有（如果有的话）信誉良好的宇宙学家会认为宇宙没有膨胀或狭义相对论是错误的，因此进行这种测量本身并不是一个革命性的结果。“当我说这并不令人惊讶时，我并不是想讽刺，”新墨西哥大学洛斯阿拉莫斯分校的妮可·劳埃德-罗宁说。 但是，她补充说，“这是对我们感觉我们知道的物理学的证实。 这是狭义相对论和宇宙膨胀的体现。”
然而，时间膨胀确实带来了一些有趣的难题，尤其是在对遥远宇宙的研究中。 最近，JWST揭示了延伸到遥远宇宙的超新星，包括一颗红移为2.9的Ia型超新星，或大约在大爆炸后20亿年，这是迄今为止看到的最遥远的一颗。 由于时间膨胀，“在红移为 2 时，你乘以 3，”太空望远镜科学研究所的天文学家奥里·福克斯说。 这意味着，从地球上看，红移为 2 的事件将持续“大约九个月到一年”，他说。 但是在更高的红移下，“你谈论的是以年为单位的时间尺度，”福克斯说，这使得在更早期的宇宙中寻找超新星变得困难，因为天文学家在比较潜在的超新星宿主星系的前后图像时会寻找它们。“如果你的红移为 10，那么现在你要说至少四年，”才能看到超新星开启和关闭，他说。
暗能量巡天的这个特别关注超新星的方面已经结束，因此在获得新的数据集之前，怀特对宇宙学时间膨胀的测量不太可能被超越。“这是一个非常确定的测量，”戴维斯说。“你真的不需要做得更好。” 有了这项测量结果，任何人为我们所谓的宇宙无知而绞尽脑汁的人都可以轻松休息了：我们描述宇宙的最佳理论似乎仍然成立——这当然并不意味着我们不应该进行检查。“其中一个假设是我们生活在一个由爱因斯坦方程描述的宇宙中，”刘易斯说。“我们不能只是说说而不做任何事情。 我们需要检验我们的假设。”