宇宙学时间膨胀的证据：高红移类星体的探测

相对论性空间膨胀导致了宇宙学时间膨胀，这是相对论宇宙学模型中一个基本且重要的结果。根据这一结果，当我们观测遥远天体时，我们看到的事件会比本地天体发生得更慢。例如，在红移为1.5处观测到一个持续10秒钟的事件，在本地看来会持续15秒钟。

这种效应已经在观测到的超新星光变曲线中得到了清晰而直接地证实 ，但是在其他类型的天体中，这种效应的证据却不那么明显。例如，尽管伽玛射线暴的光变曲线显示了与预期一致的宇宙学特征，但由于发射机制和光变曲线特征的不确定性，这一证据并不是决定性的 。类似地，最近发现的快速射电暴作为“标准时钟”的作用也受到了物理过程的限制 。

类星体是一类非常亮且遥远的天体，其发射来自于环绕超大质量黑洞的相对论性吸积盘 。类星体自从上世纪60年代被发现以来就被知道是变化的源，其光变幅度和时间尺度与波长、亮度和红移有关。然而，有人声称观测到的类星体变化在广泛的红移范围内并没有显示出预期的宇宙学时间膨胀 。这导致了一种建议，即类星体光变不是内在的，而是由于存在于宇宙中分布的黑洞引起的微引力透镜效应 。还有人认为这指向了我们宇宙学观念中更基本的问题 ，甚至有人认为类星体并不是遥远的天体，而是由于其他机制而产生了观测到的红移。

为了探测宇宙学时间膨胀在类星体中的表现，我们需要观测一组不同红移的类星体，并比较它们的光变曲线。如果存在时间膨胀，那么高红移的类星体应该比低红移的类星体变化得更慢。然而，这并不是一件容易的事情，因为类星体变化性受到多种因素的影响，例如吸积盘的结构、温度、磁场、不稳定性等。因此，我们需要使用一种统计方法来评估不同假设之间的相对可能性，即贝叶斯分析。

最近发表在《自然·天文》的一篇论文中，作者通过贝叶斯分析评估了各种假设，并在一个由190个类星体组成、在多个波段监测了二十多年的样本中发现了宇宙时间膨胀的迹象。这一发现反驳了之前关于观测到的类星体变化缺乏预期红移依赖性时间膨胀的说法。因此，除了证明缺乏类星体变化红移依赖性时间膨胀对标准宇宙学模型构成了重大挑战之外，这一分析还表明类星体的性质与它们作为真正遥远天体是一致的。

作者使用了一个由190个类星体组成的样本，这些类星体在1990年至2012年间被多个波段(U、B、V、R和I)监测。这些类星体覆盖了很大的红移范围，并且具有不同的光度和颜色。他们对每个类星体在每个波段下的光变曲线进行了分析，以评估不同假设下对数据拟合程度和参数估计值。

他们考虑了一些不同的假设：

• 类星体光变是内在的，并且显示出预期的宇宙学时间膨胀。

• 类星体光变是内在的，但是没有显示出预期的宇宙学时间膨胀。

• 类星体光变是由于微引力透镜效应引起的，并且没有显示出预期的宇宙学时间膨胀。

对于每种假设，他们使用了一个简单而通用的模型来描述类星体的光变曲线，即一个随机游走过程。这个模型可以用两个参数来描述，即光变的振幅和特征时间尺度。为了比较不同假设下的数据拟合程度，他们使用了贝叶斯因子，即两个假设下后验概率的比值。贝叶斯因子越大，说明一个假设比另一个假设更能解释数据。

他们对每个类星体在每个波段下的光变曲线进行了分析，并且计算了不同假设下的贝叶斯因子。在所有波段下，第一种假设比第二和第三种假设都有更大的优越性，说明数据更支持类星体光变是内在的，并且显示出预期的宇宙学时间膨胀。相反地，数据不支持类星体变化没有显示出预期的宇宙学时间膨胀，无论是由于内在原因还是由于微引力透镜效应。