用红外光拍摄的宇宙望远镜图像揭示了原来不为人知的详情,如猎户座星云中的太阳形成区的这张图像。

最近的一项研究依靠红外线数据追踪了小太阳的频繁爆发,因为它们从周围的气体和尘埃盘中收集质量。
资料来源:ESA/美国宇航局/JPL-Caltech
(神奇的地球uux.cn)据cnBeta:最年轻的太阳在消耗周围星盘的物质时,经常会发出璀璨的闪光。
最近对NASA退役的斯皮策宇宙望远镜的数据分析显示,新生的太阳以惊人的速度"进食",并通过令人惊讶的频繁进食狂潮而成长。
分析发现,处于最早发育阶段的太阳婴儿的爆发--当它们大约有10万年古代,或者相当于一个7小时大的婴儿--大约每400年发生一次。
这些亮度的爆发是进食的迹象,因为年轻的、成长中的太阳从它们周围的气体和灰尘盘中吞噬物质。
托莱多大学的天文学家Tom Megeath说:"当你在观察太阳的形成时,气体云会坍塌以形成一颗太阳。
这简直就是实时的太阳制造过程"。
Megeath是这项研究的共同作者,这项研究今年早些时候发表在《天体物理学杂志》上,由沙特阿拉伯贾赞大学的教授Wafa Zakri领导。
这代表着在了解太阳的形成期方面向前迈出了一大步。
到目前为止,最年轻的太阳的形成和早期进展一直是研究的难点,因为它们大多被隐藏在形成它们的云层中,无法看到。

这些年轻的太阳年龄不到10万年,被称为"0级原星"--被包裹在厚厚的气体包裹中,它们的爆发尤其难以用地面望远镜观察到。
首次这样的爆发是在近一个世纪前发现的,此后它们就很少被看到了。
但是,斯皮策在2020年结束了它在轨道上16年的观测,在红外线中观察宇宙,超出了人类眼睛所能看到的范围。
这一点,以及它长时间的凝视,使斯皮策能够看穿气体和尘埃云,并从依偎在里面的太阳那里捕捉到这种亮斑。
研究小组搜索了2004年至2017年期间猎户座太阳形成云层中的斯皮策数据,这是一次足够长的"凝视",以捕捉正在爆发的小太阳。
在92颗已知的0级原星中,他们发现了三颗--其中两颗的爆发是以前未知的。
数据显示,最年轻的婴儿星的爆发率大约为每400年一次,比从猎户座的227颗较老的原生星测得的爆发率要频繁得多。
他们还将斯皮策的数据与其他望远镜的数据进行了比较,包括天基广域红外巡天探测器(WISE)、现已退役的欧空局(European Space Agency)赫歇尔宇宙望远镜,以及现已退役的空中平流层红外天文台(SOFIA)。
这使他们能够估计出这种爆发通常持续15年左右。
一颗婴儿太阳的一半或更多的体积是在早期的0级时期增加的。
Megeath说:"按照宇宙的标准,太阳在非常年轻的时候生长迅速。
这些年轻的太阳拥有最频繁的爆发是说得通的"。

新的发现将帮助天文学家更好地了解太阳是怎么形成和积累质量的,以及这些早期的质量消耗可能会影响后来的行星形成。
他说:"它们周围的盘子都是行星形成的原材料,爆发实际上可以影响这些材料,也许会引发分子、颗粒和晶体的出现,它们可以粘在一起,形成更大的结构。
甚至有可能,我们自己的太阳曾经是这些打嗝的婴儿之一。
"太阳比大多数太阳要大一些,但是没有理由认为它没有经历过这种爆发式成长的过程。
它可能做到了。
当我们见证了太阳的形成过程,它是了解我们自己的太阳系在46亿年前的一个窗口。
"
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.
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