出品：科普中国

作者：李臻臻 熊翊飞（中国科学院上海天文台）

监制：中国科普博览

2023年7月，悉尼大学和奥克兰大学两位天文学家，通过对来自宇宙早期（大爆炸后约10亿年）的类星体光变信号的监测分析，发现这些信号到达地球时的持续时间比其在宇宙早期产生时的持续时间延长了5倍。

这样的观测结果，很多人可能会理解成“现在的时间比早期宇宙流逝得更快”，真的是这样吗？我们应当如何正确理解这一研究结果呢？

膨胀的宇宙

20世纪初，天文学家发现地球周围遥远的星系在远离我们，并且距离地球越远的星系，远离地球的速度越大。如果认为地球在宇宙中所处的位置并无特殊性（或者说认为宇宙是各向同性的），这样的图景在其他星系（虽然我们目前无法到达那里）上也能观测到。也就是说，所有星系都彼此相互远离。这就意味着，我们身处的宇宙正在膨胀！

哈勃望远镜看到的遥远宇宙

（图片来源：NASA apod）

一个膨胀的宇宙无法被直观想象出来。作为类比，我们可以想象一个正在膨胀的气球上布满很多只小蚂蚁。当气球膨胀时，任意一只蚂蚁都会发现，其周围的蚂蚁小伙伴正在远离它。这样的结果，正是蚂蚁所在空间膨胀所导致的。

膨胀宇宙的观测结果，表明我们的宇宙不是自古以来保持静态不变的，而是动态变化的。

宇宙膨胀示意图，在宇宙任意位置观察，周围的星系都在远离自己

（图片来源：science-sparks，标注由作者修改添加）

需要注意的是，宇宙膨胀效应只有在跨越足够大的空间尺度后才能显现出来。

在较小的局域区间的束缚体系内，物质不会随着空间的膨胀而膨胀。例如，我们知道，在一个膨胀气球上的蚂蚁，其身体作为一个自我束缚体系，不会随着气球的膨胀而膨胀。

类似的，宇宙局域范围内的天体，自身不会随宇宙的膨胀而膨胀。例如，我们的地球、太阳、银河系等天体，都没有随着宇宙的膨胀而膨胀。即使对更大尺度的星系团（由星系构成的自引力束缚体系），也不会随着宇宙的膨胀而膨胀。在我们所在的星系团中，银河系与近邻的仙女座星系，不但没有相互远离，反而由于引力吸引正在靠近。因此，要探索宇宙的膨胀效应，需要在宇宙足够大的空间尺度上进行。

类星体：更亮、更远的宇宙探针

要观测宇宙深处的天体，需要该天体在观测时有着足够的亮度。这对于遥远的天体来说，要求其自身的光度（单位时间内产生的能量）很高。

有一种称为Ia型的超新星，其爆发时在短时间内释放巨大的能量，并具有相同的最大光度和相似的光度曲线。天文学家曾利用这类超新星在局域宇宙中探测到宇宙膨胀效应。然而，在更远的距离上，超新星很难被观测到，难以研究更遥远宇宙的情况。

宇宙早期的类星体

（图片来源：NASA）

类星体是一种更加遥远而又明亮的天体。这类天体中心的超大质量黑洞通过吸积周围物质向外释放巨大的能量。许多类星体距离地球都非常遥远，其发出的光传播到我们这里，往往需要百亿年。

也就是说，我们在地球上观测到的这些天体的光，是百亿年前早期宇宙时期所发出的。这样遥远的天体，为我们追溯宇宙的过去、研究宇宙历史演化提供了可能。

通过观测遥远明亮的类星体，往回追溯距今百亿年前的早期宇宙时期

（图片来源：spaceaustralia，标注由作者修改添加）

从“滴~答”到“滴~~~~~答”

类星体中央黑洞在吸积周围物质的过程中，由于吸积盘的不稳定性，光度往往会发生变化，从而在观测上呈现亮度明暗的闪烁。鉴于类星体光变信号往往来自宇宙早期，天文学家通过在地球上记录这些闪烁信号的持续时间，来追踪宇宙的膨胀历史。

2023年7月，悉尼大学和奥克兰大学两位天文学家，研究了190个类星体的光变（光度随时间的变化）信号。其中每个类星体的光变，在过去20年里在多个波段都被观测到数百次。

研究成果刊登于《自然·天文》杂志

（图片来源：《自然·天文》杂志）

统计分析显示，观测到的这些类星体的光变信号，比其在宇宙早期（距今120亿年，或宇宙诞生后约10亿年）产生时的持续时间延长了5倍。

从效果上看，这就像一个信号，由原本发射时短促的“滴~答”，延缓为接收时悠长的“滴~~~~~答”。如果在遥远类星体上记录一段1分钟的视频，并通过电磁波经过120亿年传送到地球被我们接收。我们现在播放这段视频时，看到的是一组慢镜头，播放完这段视频需要5分钟的时间。

来自过去信号的时长在我们收到时已延长了5倍，好像现在的时间比过去的时间流逝快了5倍。

然而，这其实并非时间流逝的速度真的变快了，而是由于光信号在传播过程中，宇宙空间膨胀所导致的效应。

对于一段光信号，如果在不膨胀的宇宙空间中传播，其发射的持续时间与接收的持续时间是相同的；而当该信号在膨胀着的宇宙中传播时，由于传播的路程增大，信号接收需要花费更长的时间。这种效应在天文学中被称为“宇宙时间膨胀效应”。

这种效应在天文观测上还会进一步导致一些物理量出现变化，诸如观测到的波长变长（称为宇宙学红移），观测到的天体亮度变暗等等。

在宇宙早期由类星体发出的一段信号往地球传播，由于宇宙空间在不停膨胀，当传播到地球时，该信号的持续时间延长了。

（图片来源：flat universe society，标注由作者修改添加）

需要澄清的是，这里的宇宙时间膨胀，与相对论中由于参照系变换导致的时间膨胀，其实并不是一件事情。在宇宙膨胀过程中，天体在宇宙共动坐标系（如上图所示的经纬线，随着球面一起膨胀或收缩）中是静止不动的。

虽然观测上我们看到遥远天体在远离我们，但这是由于天体随着宇宙膨胀被动“随波逐流”导致的。这些遥远天体之间并没有相对的运动，因而也就没有由于相对运动而导致的时间膨胀。

此外，当我们谈论时间流逝的快慢，都是指本地静止的钟的时间。宇宙早期某地静止的钟，与现在地球上静止的钟，其时间流逝快慢是一样的。因此，这次的研究结果是指，“我们今天接收信号的持续时间，比宇宙早期发出这段信号时的持续时间更长”，而不要误解为“现在时间流逝速度比早期宇宙快”。

结语

不论是亿万光年的距离，还是神秘的滴答声，从早期宇宙至今，天文领域的奥秘数不胜数，亟待人们去探索。

宇宙中到底有多少谜团？宇宙中最大的谜团又是什么？无论科学家们探索到了什么，宇宙似乎总处在“待发现”的状态之中。也正是这种从未知到已知再到未知的过程，在推动着人类文明的不断前进。

参考文献：

[1]Lewis, Geraint F., Brewer, Brendon J.; Detection of the cosmological time dilation of high-redshift quasars; 2023NatAs.147L;

[2]Time Flowed Five Times Slower Shortly after the Big Bang;

来源: 中国科普博览

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