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脉冲恒星的意外行为可以帮助我们测量宇宙

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-11

RS Puppis是最明亮的造父变星之一,表现出六周的亮度变化周期。

(图片uux.cn美国国家航空航天局、欧空局、哈勃遗产团队(STScI/AURA)-哈勃/欧洲合作组织)据美国生活科学网站(萨曼莎·马修森):新的研究提供了迄今为止对脉动造父变星最精确的测量,这可能为我们宇宙的巨大规模和规模提供了线索。

造父变星是一种在短时间内变亮和变暗的变星,表现出特定的光度模式。

然而,尽管这种有节奏的行为使天文学家能够根据恒星亮度的变化或脉冲来计算跨空间的距离,但它也会使恒星在总体上难以观测。

造父变星速度(VELOCE)项目的研究人员利用2010年至2022年间从智利的瑞士欧拉望远镜和西班牙拉帕尔马的弗拉芒-墨卡托望远镜收集的先进摄谱学观测结果,以极高的精度和一致性研究了数百个造父变变星。

瑞士洛桑联邦理工学院天体物理学家、该研究的主要作者理查德·I·安德森在宣布这项新研究的声明中表示:了解造父变星的性质和物理很重要,因为它们告诉我们恒星是如何进化的,也因为我们依赖它们来确定宇宙的距离和膨胀率。

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这两台望远镜上的高分辨率摄谱仪使天文学家能够分离和测量星光的波长,并捕捉亮度的变化。

然后,参考多普勒效应,研究小组测量了恒星沿着望远镜视线膨胀和收缩的速度,即径向速度。

EPFL的博士生、该研究的合著者佐丹诺·维维亚尼在声明中解释说,脉动导致视线速度的变化高达每秒70公里,即约每小时250000公里(每秒43英里,即每小时155344英里)。

Viviani说:我们以130公里/小时(37米/秒)的典型精度测量了这些变化,在某些情况下甚至高达7公里/小时,这大致相当于一个快速行走的人的速度。

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VELOCE团队收集了258颗造父变星的18000多个高精度径向速度测量值,揭示了恒星脉动的额外、意想不到的变化,以及一些属于双星系统的造父变星,在这个双星系统中,两颗恒星相互绕轨道运行。

EPFL的博士后研究员、该研究的合著者Henryka Netzel在声明中表示:这表明,这些恒星内部发生了更复杂的过程,例如恒星不同层之间的相互作用,或者额外的(非径向)脉动信号,这些信号可能为通过星震学确定造父变星的结构提供了机会。

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因此,这一新数据将有助于天文学家解开观测脉动造父变星的复杂性,并了解观测到的恒星亮度变化是其个体结构的结果,还是由与伴星的潜在相互作用引起的,伴星偶尔会遮挡其恒星伙伴的光。

Anderson在声明中说:这个数据集将作为一个锚,将不同望远镜在不同时间内对造父变星的观测联系起来,并有望激发社区的进一步研究。

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他们的发现发表在今年6月的《天文学与天体物理学》杂志上。

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