宇宙灾难或曾使海王星远古卫星里外翻转
##
这张由美国国家航空航天局（NASA）詹姆斯韦布空间望远镜的近红外相机（NIRCam）捕捉到的海王星系统图像，展示了该行星环令人惊叹的景象——这些景象已有三十多年未如此清晰地被观测到——以及这颗行星的内卫星。
鸣谢：美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、太空望远镜科学研究所（STScI）；图像处理：约瑟夫德帕斯夸莱（STScI）、娜奥米罗格尼（美国宇航局戈达德太空飞行中心）
海王星的小卫星可能是古老的残骸，保存着一场灾难性事件将更大的冰质天体击碎时暴露出来的物质。
1989年，旅行者2号在海王星周围发现了六颗此前未知的卫星。
其中五颗是微小的卫星，它们在海王星主环的外侧运行。
它们体积小且离地球距离远，这使得详细研究它们格外困难。
如今，美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）让科学家们有了更近距离的观测视角。
一个由加州理工学院主导的团队对海王星的环以及它的三颗卫星——拉瑞萨（Larissa）、加拉蒂亚（Galatea）和普罗透斯（Proteus）进行了研究，发现它们的组成似乎与太阳系外已知的其他天体不同。
被摧毁的卫星系统的线索
研究结果支持了海王星曾经拥有一个截然不同的卫星家族这一观点。
这个原始的卫星系统可能在海王星最大的卫星特里顿被行星引力捕获后遭到了破坏，特里顿是在太阳系其他地方形成后才被海王星捕获的。
研究人员认为，那次毁灭性事件留下的物质后来可能聚集在一起，形成了如今绕海王星运行的内卫星。
如果海王星曾经有一个卫星系统，看起来和我们如今在天王星看到的类似，我们预计它会在海卫一被捕获的过程中被完全摧毁，该研究团队相关论文的第一作者、加州理工学院前研究生瑞利戴维斯（26届博士）表示。
这篇论文发表在《科学进展》杂志上。
这是令人兴奋的新证据，表明海王星曾发生过一场大灾难，彻底摧毁了它最初的卫星，而我们正在看到这一过程留下的痕迹。
詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）近红外相机（NIRSpec）拍摄的海王星卫星拉瑞萨及其星环图像，这些图像是在两个日期获取的，当时拉瑞萨位于海王星的两侧。
亮点是拉瑞萨，明亮的星环清晰可见。
海王星本身位于中心位置，图中用灰色叠加显示了海王星星环的计算位置。
图片来源：戴维斯等人；美国国家航空航天局（NASA）欧洲航天局（ESA）加拿大航天局（CSA）詹姆斯韦布空间望远镜数据
海王星与其他行星不同，它没有由大型、有序卫星组成的典型卫星系统。
这种差异表明，该行星可能经历了一条非常特殊的演化路径。
来自同一詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）研究项目的另一项近期研究提供了另一个证据，表明早期曾存在过一个卫星系统。
该研究由加州理工学院博士后学者马修别利亚科夫（2026年将获博士学位）牵头，研究表明海卫二可能是海王星原始卫星群中唯一完好无损的幸存者。
詹姆斯韦伯太空望远镜揭示卫星的化学组成
为搜寻海王星演化历史的更多证据，曾在迈克布朗教授实验室完成研究生学业的戴维斯，与团队其他成员将研究重点放在了海王星的内层卫星上。
戴维斯与别利亚科夫合作，设计并共同领导了一项研究项目，该项目利用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的观测数据来确定这些卫星的组成成分，以及它们的化学特征可能揭示的形成过程。
片硅酸盐在木星以外的太阳系外层区域从未被探测到，因此这并不在我们的观测目标列表中。
戴维斯说，他现在是加州大学圣地亚哥分校的博士后研究员。
我们惊讶地发现了这些黏土矿物，它们必然来自比海王星内侧小卫星大得多的天体。
海王星附近意外发现黏土
光谱显示，拉瑞萨、伽拉忒亚和海王星环上存在富含镁的层状硅酸盐。
这些矿物质只有在液态水存在的情况下才会形成。
这一结果还有另一个令人惊讶的原因：所研究的三颗卫星以及行星环的光谱均未显示出存在水冰的明确迹象。
这真的很令人惊讶，因为太阳系这一区域的所有物质都富含冰，她说，所以，我们相当确信，它们一定来自某个足够大的天体内部，这个天体产生的热量足以融化其内部的水冰。
我们认为最有可能的来源是一个由冰卫星组成的原始系统，不过冰可能去了哪里仍是个谜。
同时担任特伦斯D巴尔领导力主席以及加州理工学院比较行星演化中心主任的布朗回忆说，光谱数据一出来，团队成员立刻都冒出了同一个问题：那是什么？
在瑞利努力的侦探工作之后，我们才理解了我们所看到的东西，他说。
有时候在科学中，你是在寻找证据来评估一个特定的假设，而有时候，一些你从未想过的东西会突然出现在你面前。
普罗透斯讲述了一个不同的故事
海卫八是已观测的小型卫星中体积最大的一颗，但并未发现类似的层状硅酸盐。
这一差异可能表明海卫八是由周围碎片盘中其他区域的物质重新聚集形成的；另一种可能是该卫星曾经历后期加热，导致其原本存在的黏土矿物被破坏。
研究人员还在这三颗卫星上均检测到了同一种未知的水合矿物。
到目前为止，他们还无法将其光谱特征与参考数据库中的任何物质进行匹配。
我们看到了一些在太阳系中看起来与我们此前确认过的任何物质都不太一样的东西；它与我们光谱库中的任何物质都不匹配。
戴维斯说，我们推测它也是来自卫星的某种含水岩石，但仍有许多谜团待解。
远古世界可能曾被撕裂
研究人员目前倾向于认为海王星原有的卫星已遭破坏，但他们也不能排除另一种可能性。
一颗与冥王星大小相近的大型、有差异的柯伊伯带天体可能过于靠近海王星。
强大的潮汐力随后可能将它撕裂，分散的物质后来形成了海王星的内卫星和环。
不管怎样，我们在这些卫星上所看到的物质肯定来自某个更大天体的深处，戴维斯说。
他指出，海王星的内卫星是太阳系中唯一一处我们能够直接观测到大型冰质天体内部深层构成的地方。
这种物质通常会被永久掩埋——我们只能推断其成分。
而在这里，一场灾难性事件实际上让这些古老的卫星内部物质翻了出来，我们得以一窥其内部隐藏的东西。
因此，这一发现提供了一个难得的机会。
通常会隐藏在一个巨大冰质天体表面之下的物质，似乎因一次剧烈事件而暴露，并被保存在较小的天体中。
重构海王星的动荡历史
这些结果还引发了关于海王星卫星系统究竟如何被摧毁并重建的新问题。
戴维斯表示，未来的研究可以更详细地探索这一过程的动态，包括海卫一进入该系统后碎片的表现，以及有多少物质存留了足够长的时间以形成新的卫星。
如果你引入了特卫一，并且你摧毁了你的大型卫星，我们认为只有大约1%的物质留在了系统中，戴维斯说。
但如果特卫一仍然存在，并在很长一段时间内搅动事物，那么这些物质的实际行为可能会有很大不同。
因此，展望未来，了解这一过程如何实际进行将很有趣。
从那里，问题就变成了：‘我们能否了解初始卫星必须有多大，才能形成并提供这些物质？’
参考文献10.1126sciadv.aeb1437
除了别利亚科夫、布朗和戴维斯外，博士后学者扎卡里亚米尔比（预计2026年获得博士学位）以及加州理工学院前研究生伊恩黄（2018年获得博士学位，现就职于马里兰州巴尔的摩市的太空望远镜科学研究所）也是共同作者。
资金由美国国家航空航天局（NASA）通过一笔授予太空望远镜科学研究所的赠款提供，该研究所由大学天文研究协会运营。
相关知识
海王星是太阳系八大行星之一，处于太阳系最外侧。
它是一颗气态巨行星，直径小于天王星，但质量更大。
海王星表面呈现蓝色，由氢气、氦气和甲烷组成。
其有强烈风暴和复杂的气候系统，拥有众多卫星，围绕太阳公转周期约164.8年。
BY: Katie Neith, Caltech
FY: AI
如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除
量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗
热力学第二定律，也许是物理里最根本的几条原理之一。它说，一个系统的熵只会随时间增加，不会减少。
这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。
熵，说白了就是无序的程度：熵越低，结构越有序；熵越高，越散乱。
糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉，背后都是熵在增加。
人们相信，宇宙的演化也遵循这条定律。
宇宙早年处于低熵状态，一路演化到高熵。
可就在这个过程中，宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。
星系的熵很低，却是在一个高熵的环境里形成的。
这看起来像是在违反第二定律。
这个存在已久的矛盾，正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。
引力、熵与量子信息的交织，是比安科尼理论的视觉主题（图片来源：Physics World） 在爱因斯坦的广义相对论里，有个叫"度规"的数学对象，描述时空是怎么弯曲的；物质沿着这条弯曲走，就表现成了引力。
而在量子力学里，"算符"是对量子态做变换的数学工具。
比安科尼的关键一步，就是把这个"度规"当成量子算符来用，用量子化的方式描述时空的几何。
这样一来，会冒出两个"度规"：一个是"真实"的时空度规，一个是由物质和能量诱导出来的度规。
两者之间"差多少"，用量子信息论里的一个量来度量，叫量子相对熵。
正是这两个几何之间的量子相对熵，决定了时空怎么演化——换句话说，它给出的运动方程，就是引力。
在低曲率极限下，这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。
可一旦超出这个极限，方程就得被一个叫"G场"的对象修正。
G场生出一个暗能量项，而且是动态的。
暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西；在标准广义相对论里，它由静态的宇宙学常数驱动。
现在冒出一个动态的暗能量项，就有了被实验检验的机会。
比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克（FRW）宇宙模型上。
这是广义相对论对宇宙行为的一级近似，假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。
膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质，或辐射。
宇宙膨胀时，体积变大，总熵也跟着变大。
但正因为体积涨得更快，单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。
总熵在涨，局部熵密度却在降，这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。
那这算不算违反第二定律？比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵：要把熵密度在整个时空区域上积分，而因为体积随时间变大，总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。
所以对辐射主导和物质主导的宇宙，总熵依然随时间增加，第二定律照样成立，尽管局部熵密度在下降。
比安科尼强调，GfE 理论还很年轻，需要实验来验证。
但这项工作揭示了它内在的热力学本质，为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述，也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。
引力，也许并不是什么神秘的基本力，而只是信息与熵的必然结果。
若真如此，宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命，答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。
来源：S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究：G. Bianconi, Physical Review D.
追踪13.4万亿个暗物质！百亿亿次超算用4天完成这场模拟
科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称，该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机，完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。
这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀，并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。
左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图；右图外圈显示宇宙微波背景辐射，扇区分别展示视线速度（红/蓝）、物质密度（灰）和引力势（绿/蓝）。
图片来源： 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为，极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。
这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度，留下微小的密度差异；随后，引力把这些差异不断放大，最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。
然而，暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。
通过研究物质在宇宙中的分布，有望找到更多线索，探索宇宙最早期的秘密。
暗物质无法被望远镜直接看见，却凭借引力主导星系形成，并塑造更大尺度的宇宙结构。
在模拟中，暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”，团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。
标准宇宙暴胀模型预测，早期宇宙的密度涨落服从高斯分布，也就是最简单的一类随机模式。
科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差，即“原始非高斯性”。
一旦发现可测量的偏差，就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程，从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。
然而，这类信号极其微弱，还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积，统计不确定性难以完全消除。
因此，探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。
而如此规模的模拟对算力要求极高。
团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。
模拟及大部分数据分析约4天完成，目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。
这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目，包括美国能源部支持的暗能量光谱仪（DESI）和NASA的SPHEREx任务，两者目前均处于数据采集阶段。
模拟与前沿观测相互印证，将共同描绘出更为精细的宇宙图景，推动人类对宇宙起源与演化的探索。
来源：科技日报
