通过观察电磁波谱的不同部分,哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜能够在宇宙的相同部分看到不同的东西。

署名:uux.cn/美国国家航空航天局·奥姆斯特德。
(神秘的地球uux.cn)据德克萨斯大学奥斯汀分校(艾米丽·霍华德):自从詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)捕捉到早期宇宙的第一瞥以来,天文学家们对比预期更“超大质量”的星系的存在感到惊讶。
基于最广泛接受的宇宙学模型,它们应该在宇宙历史的很晚时期才能进化,这促使人们声称该模型需要改变。
这将颠覆几十年来的既定科学。
“宇宙中物体的发展是有层次的。
德克萨斯大学奥斯汀分校天文学助理教授朱利安·穆尼奥斯说,他最近在《物理评论快报》上发表了一篇论文,测试了宇宙学模型的变化该研究得出结论,没有必要修改标准宇宙学模型。
然而,天文学家可能不得不重新审视他们对第一批星系如何形成和演化的理解。
宇宙学研究我们宇宙的起源、演化和结构,从大爆炸到现在。
最广为接受的宇宙学模型被称为λ冷暗物质(CDM)模型或“标准宇宙学模型”。
尽管这个模型信息非常丰富,但关于早期宇宙的大部分内容仍然是理论性的,因为天文学家无法完全观察到它。
哈勃太空望远镜于1990年发射升空,在开发和完善标准宇宙学模型方面发挥了关键作用。
它用紫外线、可见光和一些近红外波长的光观察宇宙。
然而,这使它更善于看到一些东西。
例如,哈勃望远镜装备精良,可以观察较小的星系,这些星系通常包含更多的年轻、发射紫外线的恒星和较少的尘埃,这些尘埃往往吸收较短的波长。

JWST于2021年底发射升空,为哈勃望远镜的能力提供了重要补充。
通过在近红外和中红外波长进行观测,JWST可以探测到哈勃望远镜看不到的物体。
穆尼奥斯说:“我们正在为未知打开一扇窗。
“我们现在能够在以前无法测试的地方测试我们关于宇宙的理论。
”
詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的宇宙红外图像。
致谢:uux.cn/美国国家航空航天局、欧空局、加空局和航天科学研究所。
大爆炸后不久,情况并不完全一致。
密度的微小变化对宇宙未来的结构和演化有着重大影响。
密度较大的区域由于重力吸引了更多的物质,最终导致越来越大的结构形成。
JWST观测到的超大质量星系要如此之快地变得如此之大,理论上只有在宇宙大爆炸后更多的高密度区域形成时才有可能。
这需要改变标准宇宙学模型。
穆尼奥斯和他的团队验证了这一假设。

他们选择了一个JWST和哈勃都能观测到的宇宙时间范围。
在这个范围内,他们确定了JWST数据中最大的星系,并计算了它们形成所需的宇宙早期密度的变化量。
他们还计算了这种假设的变化会导致多少较小的星系。
这些额外的较小星系将被哈勃观察到。
穆尼奥斯解释说:“但我们看到的情况并非如此。
“考虑到哈勃的观测也会受到影响,你无法改变宇宙学来解释这个丰度问题。
”
那么为什么JWST发现了这么多超大质量星系呢?一种可能性是它们包含超大质量黑洞。
这些黑洞会加热附近的气体,使星系看起来更亮,因此比实际更大。
或者星系可能实际上根本不在早期宇宙中,但它们看起来像是因为尘埃导致它们的颜色看起来比其他情况下更红。
这种转变会使星系看起来比实际更远。
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