时间膨胀效应让早期宇宙时间变慢5倍

类星体示意图。（Shutterstock）

由于速度对时间的流逝有一种特殊的效应，宇宙在婴儿时期的时间会过得特别慢。最近的一项研究显示，是时间的膨胀造成了看起来时间放慢的效果。

澳大利亚悉尼大学的天体物理学家杰兰特·刘易斯（Geraint Lewis）和奥克兰大学的统计学家布伦登·布鲁尔（Brendon Brewer）通过研究宇宙中类星体星系的亮度涨落，首次在早期宇宙中发现了这种现象。

他们发现，由于宇宙加速膨胀，我们看到这些亮度涨落的发生速度比在我们附近发生的速度慢五倍。

这是我们所见过的最遥远的时间膨胀，这解决了几个问题。它表明类星体在跨越了巨大时空鸿沟之后与时间膨胀效应仍然是相符的，这意味着它们不仅符合宇宙学的标准模型，而且我们可在研究其行为时考虑到时间膨胀。

“回顾宇宙诞生后刚刚超过10亿年的时候，我们发现那时的时间流动速度似乎慢了五倍，”刘易斯解释道。

“如果你身处于当时的新生宇宙中，一秒感觉就像一秒——但从我们10亿年后今天的位置来看，那个早期的时间似乎被拉长了。”

宇宙中的空间和时间是密不可分的，尽管这在日常生活中并不明显。随着空间的膨胀，来自更远距离的光会被延伸，光源越远，波长就变得越长、越红。

这就是所谓多普勒效应（Doppler effect），在地球上也能体验到这个效应。想象一下，当救护车驶离您时，救护车警报声似乎拉长了。在这个比喻中，救护车变成了一个遥远的星系，而光就是警报声。从源头来看，其发射是正常的，但从我们的角度来看，它变得完全拉长了。

类似的事情应该而且也确实发生在时间上，正如我们从半个宇宙之外的超新星爆炸中所观察到的那样。

时间流逝对我们来说很正常。对于就近观看超新星爆炸的人来说，时间似乎也正常。但由于两点之间的相对速度，对我们来说，超新星爆炸似乎以慢动作发生。

据预测，早期宇宙中的类星体应该表现出类似的效果，但它们与超新星是不同类型的物体。类星体是那些中心有一个活跃的超大质量黑洞的星系。黑洞吞噬周围物质的过程会产生大量的光，伴随着湍流而闪烁。

刘易斯说：“超新星的行为就像一道闪光，使其更容易研究，而类星体则更加复杂，就像一场正在进行的烟花表演。我们所做的就是解锁这场烟花表演，表明类星体也可以用作早期宇宙的时间标记。”

刘易斯和布鲁尔研究了24.5至121.7亿年前（大爆炸发生在138亿年前）的190个类星体样本，并在二十年的时间内获取了一系列波长的数据。两人对每个类星体进行了大约200次观测，从而得以详细重建其亮度涨落。

此前，科学家们认为类星体的变化并没有表现出时间膨胀带来的影响，但样本很小，而且观察的时间周期也短得多。

通过大幅增加类星体的数量和观测持续的时间，两位研究者发现，与更近期的类星体相比，老的类星体确实出现了“慢动作”闪烁。

“早期研究让人们质疑类星体是否属于真正的宇宙物体，甚或宇宙膨胀的想法是否正确，”刘易斯说。 “然而，通过这些新的数据和分析，我们已能听到类星体难以捉摸的时钟滴答声，其行为正如爱因斯坦相对论所预测的那样。”