2023 年 7 月，雪梨大學和奧克蘭大學兩位天文學家，通過對來自宇宙早期（大爆炸後約 10 億年）的類星體光變信號的監測分析，發現這些信號到達地球時的持續時間比其在宇宙早期產生時的持續時間延長了 5 倍。
這樣的觀測結果，很多人可能會理解成「現在的時間比早期宇宙流逝得更快」，真的是這樣嗎？我們應當如何正確理解這一研究結果呢？
膨脹的宇宙
20 世紀初，天文學家發現地球周圍遙遠的星系在遠離我們，並且距離地球越遠的星系，遠離地球的速度越大。如果認為地球在宇宙中所處的位置並無特殊性（或者說認為宇宙是各向同性的），這樣的圖景在其他星系（雖然我們目前無法到達那裡）上也能觀測到。也就是說，所有星系都彼此相互遠離。這就意味著，我們身處的宇宙正在膨脹！
哈勃望遠鏡看到的遙遠宇宙。圖片來源：NASA apod
一個膨脹的宇宙無法被直觀想像出來。作為類比，我們可以想像一個正在膨脹的氣球上布滿很多隻小螞蟻。當氣球膨脹時，任意一隻螞蟻都會發現，其周圍的螞蟻小夥伴正在遠離它。這樣的結果，正是螞蟻所在空間膨脹所導致的。
膨脹宇宙的觀測結果，表明我們的宇宙不是自古以來保持靜態不變的，而是動態變化的。
宇宙膨脹示意圖，在宇宙任意位置觀察，周圍的星系都在遠離自己。圖片來源：science-sparks，標註由作者修改添加
需要注意的是，宇宙膨脹效應只有在跨越足夠大的空間尺度後才能顯現出來。
在較小的局域區間的束縛體系內，物質不會隨著空間的膨脹而膨脹。例如，我們知道，在一個膨脹氣球上的螞蟻，其身體作為一個自我束縛體系，不會隨著氣球的膨脹而膨脹。
類似的，宇宙局域範圍內的天體，自身不會隨宇宙的膨脹而膨脹。例如，我們的地球、太陽、銀河系等天體，都沒有隨著宇宙的膨脹而膨脹。即使對更大尺度的星系團（由星系構成的自引力束縛體系），也不會隨著宇宙的膨脹而膨脹。在我們所在的星系團中，銀河系與近鄰的仙女座星系，不但沒有相互遠離，反而由於引力吸引正在靠近。因此，要探索宇宙的膨脹效應，需要在宇宙足夠大的空間尺度上進行。
類星體：更亮、更遠的宇宙探針
要觀測宇宙深處的天體，需要該天體在觀測時有著足夠的亮度。這對於遙遠的天體來說，要求其自身的光度（單位時間內產生的能量）很高。
有一種稱為 Ia 型的超新星，其爆發時在短時間內釋放巨大的能量，並具有相同的最大光度和相似的光度曲線。天文學家曾利用這類超新星在局域宇宙中探測到宇宙膨脹效應。然而，在更遠的距離上，超新星很難被觀測到，難以研究更遙遠宇宙的情況。
宇宙早期的類星體。圖片來源：NASA
類星體是一種更加遙遠而又明亮的天體。這類天體中心的超大質量黑洞通過吸積周圍物質向外釋放巨大的能量。許多類星體距離地球都非常遙遠，其發出的光傳播到我們這裡，往往需要百億年。
也就是說，我們在地球上觀測到的這些天體的光，是百億年前早期宇宙時期所發出的。這樣遙遠的天體，為我們追溯宇宙的過去、研究宇宙歷史演化提供了可能。
通過觀測遙遠明亮的類星體，往回追溯距今百億年前的早期宇宙時期。圖片來源：spaceaustralia，標註由作者修改添加
從「滴~答」到「滴~~~~~答」
類星體中央黑洞在吸積周圍物質的過程中，由於吸積盤的不穩定性，光度往往會發生變化，從而在觀測上呈現亮度明暗的閃爍。鑒於類星體光變信號往往來自宇宙早期，天文學家通過在地球上記錄這些閃爍信號的持續時間，來追蹤宇宙的膨脹歷史。
2023 年 7 月，雪梨大學和奧克蘭大學兩位天文學家，研究了 190 個類星體的光變（光度隨時間的變化）信號。其中每個類星體的光變，在過去 20 年裡在多個波段都被觀測到數百次。
研究成果刊登於《自然·天文》雜誌。圖片來源：《自然·天文》雜誌
統計分析顯示，觀測到的這些類星體的光變信號，比其在宇宙早期（距今 120 億年，或宇宙誕生後約 10 億年）產生時的持續時間延長了 5 倍。
從效果上看，這就像一個信號，由原本發射時短促的「滴～答」，延緩為接收時悠長的「滴～～～～～答」。如果在遙遠類星體上記錄一段 1 分鐘的視頻，並通過電磁波經過 120 億年傳送到地球被我們接收。我們現在播放這段視頻時，看到的是一組慢鏡頭，播放完這段視頻需要 5 分鐘的時間。
來自過去信號的時長在我們收到時已延長了 5 倍，好像現在的時間比過去的時間流逝快了 5 倍。
然而，這其實並非時間流逝的速度真的變快了，而是由於光信號在傳播過程中，宇宙空間膨脹所導致的效應。
對於一段光信號，如果在不膨脹的宇宙空間中傳播，其發射的持續時間與接收的持續時間是相同的；而當該信號在膨脹著的宇宙中傳播時，由於傳播的路程增大，信號接收需要花費更長的時間。這種效應在天文學中被稱為「宇宙時間膨脹效應」。
這種效應在天文觀測上還會進一步導致一些物理量出現變化，諸如觀測到的波長變長（稱為宇宙學紅移），觀測到的天體亮度變暗等等。
在宇宙早期由類星體發出的一段信號往地球傳播，由於宇宙空間在不停膨脹，當傳播到地球時，該信號的持續時間延長了。圖片來源：flat universe society，標註由作者修改添加
需要澄清的是，這裡的宇宙時間膨脹，與相對論中由於參照系變換導致的時間膨脹，其實並不是一件事情。在宇宙膨脹過程中，天體在宇宙共動坐標系（如上圖所示的經緯線，隨著球面一起膨脹或收縮）中是靜止不動的。
雖然觀測上我們看到遙遠天體在遠離我們，但這是由於天體隨著宇宙膨脹被動「隨波逐流」導致的。這些遙遠天體之間並沒有相對的運動，因而也就沒有由於相對運動而導致的時間膨脹。
此外，當我們談論時間流逝的快慢，都是指本地靜止的鐘的時間。宇宙早期某地靜止的鐘，與現在地球上靜止的鐘，其時間流逝快慢是一樣的。因此，這次的研究結果是指，「我們今天接收信號的持續時間，比宇宙早期發出這段信號時的持續時間更長」，而不要誤解為「現在時間流逝速度比早期宇宙快」。
結語
不論是億萬光年的距離，還是神秘的滴答聲，從早期宇宙至今，天文領域的奧秘數不勝數，亟待人們去探索。
宇宙中到底有多少謎團？宇宙中最大的謎團又是什麼？無論科學家們探索到了什麼，宇宙似乎總處在「待發現」的狀態之中。也正是這種從未知到已知再到未知的過程，在推動著人類文明的不斷前進。
參考文獻
[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;
策劃製作
出品丨科普中國
作者丨李臻臻 熊翊飛 中國科學院上海天文台
監製丨中國科普博覽
責編｜楊雅萍