天文学家首次观察到早期宇宙中时间以慢动作流逝，证实了阿尔伯特·爱因斯坦关于宇宙膨胀扭曲现实效应的百年思想。
通过追踪宇宙仅有十亿年（不到现在年龄的十分之一）时星系中发光物质的闪烁光芒，两位研究人员发现，当时的事件发生速度似乎比正常速度慢五倍。他们的发现于本月早些时候发表在《自然·天文学》杂志上。
“几十年来，艾萨克·牛顿为我们描绘了一个宇宙图景，其中空间和时间是固定的，宇宙中每只时钟都以完全相同的速率滴答作响。然后爱因斯坦打破了这种图景，他提出时间实际上是可塑的和相对的，”悉尼大学的天体物理学家、该研究的主要作者杰伦特·刘易斯说。“现在我们已经证明，爱因斯坦再次是正确的。”
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爱因斯坦关于早期宇宙时间流逝速度较慢的概念出现在 20 世纪 20 年代后期，当时天文学家正在发现宇宙膨胀。人们发现天空中的星系正以高速远离银河系，被不断增长的空隙所裹挟——而且它们离我们越远，飞行的速度就越快。这不仅意味着宇宙曾经小得多、密度大得多——起源于某个紧凑的原始点的“大爆炸”——而且意味着我们可见的最遥远星系应该以接近光速的速度后退。
根据爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论，这两种情况都会改变时间的流逝。来自遥远星系的光线从早期宇宙深处稠密宇宙的较强引力束缚中穿过不断膨胀的宇宙传播到地球时，它必须穿越越来越广阔的空间才能到达地球。因此，时间变得拉伸，这种现象被称为时间膨胀：100 亿年前的时钟对于当时的观察者来说会以正常速率滴答作响，但从今天的人的角度来看，它似乎滴答作响慢得多。
天文学家此前已经验证了宇宙 138 亿年历史中大约一半时间的慢动作宇宙，方法是检查大约六十亿到七十亿年前爆炸的被称为超新星的巨大爆炸恒星发出的光。但是，此类超新星太微弱了，无法在探测早期宇宙纪元所需的巨大距离上进行观测。
因此，刘易斯和天体统计学家布伦登·布鲁尔转而研究更大、更明亮的天体，即类星体——由超大质量黑洞吞噬遥远星系中心的 газо形成的明亮天体信标。气体堆积并螺旋盘旋，以接近光速的速度漏入吞噬型黑洞，在那里它被加热到数万亿华氏度的温度，并发出在宇宙中可见的白炽光芒。
但这种光芒并不稳定。黑洞是凌乱、断断续续的吞噬者——万亿度气体吞咽下去可能不太像顺滑的奶昔，而更像块状花生酱。尽管这种变异性使类星体更容易识别，但它使它们作为宇宙时间标准标记的用途变得复杂。如果说超新星类似于烟花，燃烧明亮且迅速消逝，那么类星体的亮度变化更像股市，具有动荡闪烁的不可预测模式。事实上，之前的研究未能发现非常遥远的类星体和相对较近的类星体之间存在时间膨胀效应。
“早期的发现启发了一些边缘宇宙学家质疑类星体的变异性是否符合我们现有的宇宙模型。甚至有人建议我们长期以来持有的宇宙正在膨胀的基本观点是错误的，”刘易斯说。他补充说，这些研究使用了小样本或在短时间内观察了类星体。
相比之下，刘易斯和布鲁尔使用了一个新的、更广泛的数据集：他们总共观察了 190 个类星体，涵盖了从大约 25 亿年前到 120 亿年前的宇宙时间范围。在二十年的跨度内，每个类星体的闪烁都在多个波长下被观察了数百次。
两人还将类星体按内在光度进行分组。“我们将明亮的类星体与明亮的类星体放在一起，将微弱的类星体与微弱的类星体放在一起，”刘易斯说。这种方法最大限度地减少了在明显不同的类星体类型之间进行“苹果与橙子”比较的可能性，并使研究人员能够校准每个类星体的“滴答”，从而更确定光波动中的某些观察到的差异是由时间膨胀引起的。
最终，研究人员发现类星体时钟的滴答声表现得正如爱因斯坦相对论所预测的那样。在遥远星系中发现的类星体比在稍后、附近的宇宙中诞生的类星体滴答作响得慢，时间膨胀使最遥远的类星体看起来以标准速度的五分之一的缓慢速度运行。
安大略省 Perimeter 理论物理研究所霍金宇宙学和科学传播主席凯蒂·麦克说，这些发现为围绕类星体行为的各种不确定性提供了清晰的认识。具体而言，该研究证实类星体符合共识预期——并且它加强了天文学家在研究类星体时需要考虑时间膨胀的必要性。
“这是首次通过类星体清楚地观察到时间膨胀效应，并且令人欣慰的是，那里没有发生任何奇怪的事情，”麦克说，她没有参与这项研究。
虽然天文学家已经预料到古代宇宙中存在这种效应，但这一预测仍然需要检验。爱丁堡大学天文学研究所的名誉研究员迈克尔·霍金斯说，这项研究提醒科学家们避免对已建立的宇宙学模型感到自满，他补充说，爱因斯坦的广义相对论在提出时颠覆了数百年的科学。霍金斯本人此前曾进行过未能检测到类星体时间膨胀的研究，他说这突显了该领域持续调查和改进的重要性。
“为了维护科学实践，你必须保持怀疑态度直到最后，因此继续检验即使是最完善的宇宙理论也至关重要，”霍金斯说。作为下一步，他希望看到未来的研究用更大的类星体样本复制分析，这些类星体源自宇宙过去更深处的星系。
对于刘易斯来说，这项工作不仅仅是对爱因斯坦和现代宇宙学的辩护。古代类星体的准确时间戳也可能有助于进一步探索暗能量的性质，暗能量被认为是导致宇宙膨胀令人惊讶的加速的神秘力量。
“标准化和确认我们的模型最终是迈向下一代的一步，”刘易斯说。“现在的目标是以尽可能详细的方式绘制宇宙的膨胀图。”