宇宙膨脹速率的加速被歸因於神秘的“暗能量”，暗能量約佔宇宙的70%。牛津大學Rudolf Peierls理論物理中心的Subir Sarkar教授、與巴黎天體物理研究所、哥本哈根Niels Bohr研究所的合作者使用了對740 Ia型超新星的觀測，以表明這種加速是一種相對局部的效應，即它是沿著我們似乎相對於宇宙微波背景移動的方向（表現出類似的偶極各向異性）。雖然這種加速的物理原因還未可知，但它不能歸因於暗能量，因為暗能量會在所有方向上造成相等的加速度。
宇宙學標準模型基於宇宙圍繞所有觀測者是各向同性的假設，這個宇宙學原理是哥白尼原理的延伸——即我們不是特權觀察者。它為使用愛因斯坦廣義相對論的宇宙學模型數學構造提供了巨大的簡化。然而，當在這個框架內解釋觀測數據時，會得出一個驚人的結論：大約70%的宇宙是由愛因斯坦宇宙學常數或更普遍的“暗能量”構成。這被解釋為由於真空的量子零點能漲落，但相關的能量標度是由H0（宇宙目前的膨脹率）設定。然而，這比粒子物理標準模型（精確描述所有亞原子現象的成熟量子場理論）的能量標度低1044倍。
因此，零點能波動具有巨大的能量密度，如果它們確實通過引力影響了宇宙膨脹率，那麼它就會阻止宇宙達到現在的年齡和大小。對於這個宇宙學常數問題，必須加上“為什麼是現在？”問題，也就是為什麼暗能量直到接近目前才開始主宰宇宙？在早期，它可以忽略不計，特別是年齡在約40萬年歲的時候，當原始等離子體充分冷卻形成原子和宇宙微波背景(CMB)輻射被釋放時(因此CMB對暗能量不直接起作用)。正是在這種背景下，2011年諾貝爾物理學獎的主要貢獻是：
兩組天文學家在1998年“通過觀察遙遠的超新星，發現了宇宙的加速膨脹”。這是基於對大約60顆Ia型超新星的觀察，但與此同時，樣本已經增長，並且在2014年時，這些數據提供了散佈在天空中的740個物體（聯合光曲線分析目錄）。研究人員觀察膨脹速率的推論加速度是否在天空中是均勻的。首先，計算出測量到的超新星紅移和視星等(在日心繫中)，撤消了JLA目錄中對局部‘特殊’(非哈勃)速度所做的修正。這是為了確定它們在宇宙微波背景框架中的值。
暗能量
在宇宙微波背景框架中宇宙看起來應該是各向同性的，以前的研究已經表明，這樣的修正是值得懷疑的，因為奇特的速度不會隨著距離的增加而減弱，因此即使在十億光年之外。當後面使用標準的最大估計統計量來提取參數值時，天文學家們有了一個驚人的發現，超新星數據表明，統計顯著性為3.9cmb的推論加速中的偶極各向異性，與在局部移動的方向相同，這是由cmb中一個類似的偶極所指示。
相比之下，任何可以歸因於暗能量的各向同性(單極)加速度都是暗能量的50倍，並且在1.4σ時為零。根據貝葉斯信息準則，最適合數據的實際上沒有各向同性分量。研究表明，能用來擬合超新星光曲線的參數紅移演化並不會改變結論，從而駁斥了先前對該方法的駁斥。其分析是由數據驅動的，但支持克里斯托斯·Tsagas(塞薩洛尼基大學)提出的理論，即當我們不是哥白尼觀察者(通常假設)，而是嵌入到附近星系“共享”的局部大塊流中時，加速度可能被推斷出來，這確實是觀察到。
這在標準宇宙學模型中是意想不到的，而且這種流動的原因仍然無法解釋。但除此之外，似乎加速度是局部流的產物，所以暗能量不能作為其原因。事實上，關於宇宙膨脹歷史的其他探測器，例如星系分佈中重子聲學振盪(BaO)的印記，最古老恆星的年齡，結構的增長速率等，但這樣的數據仍然太稀疏，目前與非加速宇宙同樣一致。宇宙微波背景輻射中精確測量的溫度波動對暗能量並不直接起作用，儘管它的存在通常是從理論中推斷出來，即雖然宇宙微波背景測量宇宙的空間曲率接近於零。
但它的物質含量並不等於使其接近零的臨界密度，然而，這隻有在完全同質性和各向同性的假設下才是正確的，這兩個假設現在都有問題。但未來很快就會取得進展，大型天氣巡天望遠鏡將測量更多的超新星，並確認或排除減速參數中的偶極。暗能量光譜儀和歐幾里德衛星將精確測量重子聲學振盪和透鏡。歐洲超大型望遠鏡將在一段時間內測量遠源的“紅移漂移”，從而直接測量宇宙的膨脹歷史。
博科園｜研究/來自：牛津大學
參考期刊《天文學與天體物理學》
DOI: 10.1051/0004-6361/201936373
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