关键要点
年，两个跨宇宙时间研究超新星的不同合作都揭示了相同的惊人结论：宇宙不仅在膨胀，而且随着时间的推移，遥远的星系正在越来越快地消退。从那时起，我们发现了多种不同的方法来测量膨胀的宇宙，并且已经收敛到宇宙学的“标准模型”，尽管仍然存在一些差异。在Pantheon+刚刚发布的一项具有里程碑意义的研究中，刚刚分析了最全面的Ia型超新星数据集的宇宙学意义。这是结果。
我们在物理学和天文学方面永无止境的探索也许是最雄心勃勃的探索：从根本上了解宇宙。诸如以下的问题：
是什么构成了宇宙？
存在的各种成分的比例是多少？
宇宙是如何变成今天这样的？
这一切是如何开始的？
在遥远的未来，我们最终的命运究竟会是什么？
曾经处于无法回答的领域。然而，在过去的年里，他们已经从神学家、哲学家和诗人的领域进入了科学领域。在人类历史上，或许在整个存在中，我们第一次可以有意识地回答这些问题，揭示了写在宇宙本身表面上的真理。
每次我们改进测量宇宙的最佳方法时——通过更精确的数据和更大的数据集、改进的技术、卓越的仪器和更小的误差——我们就有机会推进我们所知道的。我们探测宇宙的最有力方法之一是通过一种特定类型的超新星：Ia型爆炸，它的光使我们能够确定宇宙是如何随着时间的推移而演化和膨胀的。凭借其数据集中创纪录的颗Ia型超新星，Pantheon+团刚刚发布了一篇详细介绍当前宇宙学状态的新论文的预印本。在这里，据人类所知，这是我们对我们所居住的宇宙的了解。
制造Ia型超新星的两种不同方法：吸积情景（L）和合并情景（R）。合并场景是元素周期表中大部分元素的原因，包括铁，它是整个宇宙中第9丰富的元素。
Ia型超新星是如何工作的
现在，在整个宇宙中，已经完成生命周期的类太阳恒星的尸体仍然存在。这些恒星残骸都有一些共同点：它们都很热、很微弱，由被电子简并压力支撑的原子组成，并且质量大约低于太阳质量的1.4倍。但是它们中的一些有双星伴星，如果它们的轨道足够近，就可以从它们身上吸走质量。而其他人将遇到其他白矮星，这可能导致最终合并。而其他人将遇到其他类型的物质，包括其他恒星和大量物质团块。
当这些事件发生时，如果总质量超过特定临界阈值，白矮星中心的原子将在极端条件下变得如此密集，以至于这些原子的各种原子核将开始融合在一起。这些初始反应的产物将催化周围物质的聚变反应，最终整个恒星残骸，白矮星本身，将在失控的聚变反应中被撕裂。这导致超新星爆炸没有残余物，既没有黑洞也没有中子星，但具有我们可以观察到的特定光曲线：所有Ia型超新星的特征：变亮、峰值和衰减。
测量大宇宙距离的两种最成功的方法是基于它们的表观亮度(L)或表观角大小(R)，这两种方法都是可以直接观察到的。如果我们能够理解这些物体的内在物理特性，我们可以将它们用作标准蜡烛(L)或标准尺子(R)来确定宇宙在其宇宙历史中是如何膨胀的，以及它是由什么构成的。
Ia型超新星如何揭示宇宙
所以，如果你在整个宇宙中发生了所有这些不同的爆炸，只要你有白矮星——基本上无处不在——你能用它们做什么？一个关键是要认识到这些物体是相对标准的：有点像60瓦灯泡的宇宙版本。如果你知道你有一个60瓦的灯泡，那么你就会知道这个光源的本质是多么明亮和发光。如果你能测量这盏灯对你来说有多亮，那么你就可以通过一点数学计算出这个灯泡必须有多远。
在天文学中，我们没有灯泡，但这些Ia型超新星具有相同的功能：它们是我们所谓的标准蜡烛的一个例子。我们知道它们本质上有多亮，因此当我们测量它们的光曲线并查看它们看起来有多亮（以及其他一些特征）时，我们可以计算出它们离我们有多远。当我们添加一些其他信息时，例如：
这些超新星发出的光发生了多么严重的红移，
以及红移和距离如何与膨胀宇宙中存在的各种形式的能量相关联，
我们可以使用这些超新星数据来告诉我们宇宙中存在什么以及空间在其历史中是如何扩展的。拥有颗Ia型超新星，跨越亿年的宇宙历史，最新的Pantheon+结果是对宇宙好奇者的一场盛宴。
这张图显示了作为Pantheon+分析一部分的颗超新星，绘制为星等与红移的函数。它们都符合我们的标准宇宙学模型预测的路线，即使是红移最高、距离最远的Ia型超新星也遵循这种简单的关系。
宇宙是如何膨胀的？
这是超新星数据擅长直接回答的问题：假设数量最少，方法固有的错误最小。对于我们拥有的每一颗超新星，我们：测量光线，在膨胀的宇宙的背景下推断到物体的距离，还测量红移（通常通过红移到确定的宿主星系），然后将它们全部绘制在一起。
这正是上图所显示的：遥远超新星的测量亮度（y轴上）和每颗超新星测量的红移（x轴上）之间的关系。
你看到的黑线显示了你期望从最合适的宇宙模型得到的结果，假设没有什么有趣或可疑的（即，没有新的、未识别的物理学）正在发生。同时，顶部面板显示了叠加在宇宙模型顶部的带有误差线的单个数据点，而底部面板只是简单地“减去”了最佳拟合线并显示了与预期行为的偏差。
正如你所看到的，理论和观察之间的一致性是惊人的。宇宙正在按照已知的物理定律完全一致地膨胀，即使在最远的距离——如红色和紫色数据点所示——也没有明显的差异。
Pantheon+分析的联合约束，以及重子声学振荡(BAO)和宇宙微波背景(Planck)数据，对以物质形式和暗能量或Lambda形式存在的宇宙部分的约束。据我们所知，我们的宇宙包含33.8%的物质和66.2%的暗能量，只有1.8%的不确定性。
什么构成了宇宙？
现在我们开始进入有趣的部分：使用这些数据来弄清楚宇宙在最大尺度上发生了什么。宇宙由许多不同类型的粒子和场组成，包括：暗能量，是某种空间结构固有的能量；暗物质，它导致了宇宙中大部分的引力；正常物质，包括恒星、行星、气体、尘埃、等离子体、黑洞以及由质子、中子和/或电子构成的所有其他物质；中微子，它们是极轻的粒子，具有非零静止质量，但其数量超过正常物质粒子约十亿比一；和光子或光粒子，它们在热大爆炸的早期和晚期由恒星产生，以及其他来源。
仅查看上面Pantheon+的超新星数据，我们就可以看到彩色阴影轮廓。但是，如果我们也将通过检查宇宙的大尺度结构（上面标记为BAO）和大爆炸的剩余辐射（上面标记为普朗克）获得的信息也折叠起来，我们可以看到只有一个所有三个数据集都重叠的非常窄的值范围。当我们把它们放在一起时，我们发现宇宙是由大约：
66.2%暗能量，
33.8%物质，正常和暗相结合，
以及微不足道的少量其他东西，
每个组件，总计，具有±1.8％的总不确定度。它引导我们最准确地确定“我们的宇宙中有什么？”有史以来。
尽管所有数据集都同意我们宇宙的许多方面，但宇宙膨胀的速度并不是其中之一。仅根据超新星数据，我们可以推断出约73km/s/Mpc的膨胀率，但超新星并未探测到我们宇宙历史的前约30亿年。如果我们包括来自宇宙微波背景的数据，它本身非常接近大爆炸，此时此刻存在不可调和的差异。
宇宙膨胀的速度有多快？
我有没有说过发现宇宙的组成是乐趣的开始？好吧，如果这对您来说很有趣，那么请做好准备，因为下一阶段完全是香蕉。如果你知道你的宇宙是由什么组成的，那么如果你想知道宇宙膨胀的速度有多快，你需要做的就是从数据集中读取与“距离”和“红移”相关的直线的斜率。
这就是问题真正出现的地方。
如果只使用超新星数据（此处标记为“Pantheon+SH0ES”），您会看到允许值的范围非常窄，峰值为73km/s/Mpc，不确定性非常小大约±1km/s/Mpc。
但是，如果你将大爆炸的剩余辉光，即普朗克的宇宙微波背景数据折叠起来，你会得到标记为“万神殿+和普朗克”的等高线，其峰值约为67km/s/Mpc，再次±1km/s/Mpc左右的小不确定性。
请注意，对于上面所有不在条目第一列中的图表，所有数据集之间存在令人难以置信的相互一致性。但是对于第一列，我们有两组不同的信息，它们都是自洽的，但彼此不一致。
尽管目前正在对这一难题的性质进行大量研究，其中一种潜在的解决方案看起来特别有吸引力，但这项研究有力地证明了这种差异的有效性，以及这两个数据集彼此不一致的重要性。
正如最新论文中详述的那样，与哈勃张力的重要性相比，可归因于Ia型超新星测量的各种不确定性来源相对微不足道，并且不到与宇宙距离阶梯相关的总误差的1/3测量。“哈勃张力”不是测量误差。
这种差异可能是由于某种测量误差造成的吗？不。
能够明确地说，这是一件了不起的事情：不，这种差异不能仅仅归咎于我们如何测量这些东西的一些错误。
这不可能是由于对最近超新星附近距离的错误校准造成的。
这不可能是由于用于校准与附近宿主星系距离的恒星的重元素比率。
这不可能是由于超新星绝对规模的变化。
这不可能是由于造父变星的周期-光度关系的不确定性。
或者来自造父变星的颜色。
或者由于爆炸的白矮星的演化。
或者是由于发现这些超新星的环境的演变。
或测量中的系统误差。
事实上，可以说，Pantheon+团队所做的所有“繁重工作”中最令人印象深刻的是查看数据时存在的非常微小的错误和不确定性。上图显示，对于任何特定的误差源，您可以将今天的哈勃常数H0的值更改不超过0.1到0.2km/s/Mpc。同时，测量膨胀宇宙的竞争方法之间的差异约为6.0公里/秒/Mpc，相比之下，这是惊人的大。
换句话说：不。这种差异是真实的，而不是一些尚未确定的错误，我们可以非常自信地这么说。发生了一些奇怪的事情，我们需要弄清楚是什么。
Pantheon+分析的最新约束，涉及颗Ia型超新星，完全符合暗能量只不过是一个“普通”宇宙学常数。没有证据支持它在时间或空间上的演变。
暗能量的本质是什么？
这是测量来自整个宇宙的物体的光的另一件事：在不同的距离和不同的红移处。你必须记住，每当一个遥远的宇宙物体发出光时，光必须一直穿过宇宙——而空间本身的结构会膨胀——从光源到观察者。你看的越远，光的传播时间就越长，这意味着更多的宇宙膨胀历史被编码在你观察到的光中。
我们可以选择对暗能量做出两个假设：
要么它在任何地方、任何时间、任何地点都具有相同的属性，
或者我们可以让这些属性发生变化，包括改变暗能量的强度。
在上面的两张图中，左边的图表显示了假设第一个选项我们学到了什么，而右边的图表显示了假设第二个选项我们学到了什么。正如你所清楚地看到的，尽管右侧的不确定性很大（左侧的不确定性较小），但一切都与暗能量最无聊的解释完全一致：它只是一个无处不在的宇宙常数。（也就是说，w=-1.0，恰好，而wa仅出现在第二张图中，正好等于0。）暗能量是乏味的，而这其中最全面的超新星数据并没有表明其他方面。
宇宙的不同可能命运，以及我们实际的、加速的命运如右图所示。经过足够长的时间后，加速将使每个被束缚的星系或超星系结构在宇宙中完全孤立，因为所有其他结构都不可逆转地加速离开。我们只能通过回顾过去来推断暗能量的存在和属性，这至少需要一个常数，但它对未来的影响更大。
那替代品呢？
各种科学家提出了许多对数据的“替代解释”，作为对主流解释的挑战。
一些人断言，也许宇宙有很大的曲率，但这需要比Pantheon+允许的更低的哈勃常数，因此完全排除了这种可能性。
其他人断言，哈勃张力只是数据校准不佳的产物，但Pantheon+在此提供的稳健分析彻底表明这是错误的。
还有一些人假设暗物质本身具有与物质速度的某种力量成比例的力，并且会随着时间而变化，从而消除了对暗能量的需求。但万神殿+数据集的广泛范围将我们推回到宇宙不到其当前年龄的四分之一时，排除了这一点。
事实是，所有潜在的“暗能量不存在”的解释，比如Ia型超新星可能显着演化，或者Ia型超新星分析不够重要，现在更加不受欢迎。在科学领域，当数据对您具有决定性和绝对不利时，是时候继续前进了。
宇宙距离阶梯的构建涉及从我们的太阳系到恒星，再到附近的星系，再到遥远的星系。每个“台阶”都有其自身的不确定性，尤其是梯子的不同“梯级”连接的台阶。然而，最近距离阶梯的改进已经证明了它的结果是多么的稳健。
这将我们带到了今天。当年宣布发现宇宙加速膨胀时，它仅基于几十颗Ia型超新星。1年，当哈勃太空望远镜的关键项目的最终结果公布时，宇宙学家欣喜若狂地确定了宇宙膨胀到仅约10%的速度。3年，当WMAP（普朗克的前身任务）的第一个结果出现时，以如此令人难以置信的精确度测量宇宙中的各种能量成分是革命性的。
尽管自那时以来在宇宙学的许多方面都取得了实质性进展，但不应低估高质量、高红移超新星数据的爆炸式增长其重要性。凭借高达颗独立的Ia型超新星，Pantheon+分析为我们提供了比以往任何时候都更全面、更自信的宇宙图景。
我们由33.8%的物质和66.2%的暗能量组成。我们正在以73km/s/Mpc的速度扩展。暗能量与宇宙学常数完全一致，任何实质性偏离的回旋余地都变得非常紧张。在我们对Ia型超新星的理解中，唯一剩下的错误和不确定性现在已经微乎其微了。然而，令人震惊的是，这些数据并没有解决为什么测量宇宙膨胀率的不同方法会产生不一致的结果。到目前为止，我们在探索宇宙的过程中已经解开了许多宇宙奥秘。但是，尽管有非凡的新数据，我们今天所拥有的未解之谜仍然一如既往地令人费解。
