银河系中心存在神秘“能量陷阱”：捕获高能宇宙射线

该现象是基于美国宇航局伽马射线太空望远镜和高能立体视野望远镜(HESS)观测数据得出的。

　　2016年一项天文观测结果显示，伽马射线达到近50万亿电子伏特(TeV)，这大约是费尔米大视场望远镜观测能量的50倍。

　　据国外媒体报道，目前，科学家在银河系中心最新发现一个"能量陷阱"，能够捕获高能量宇宙射线。

这些粒子以接近光速的速度运行，科学家认为它们产生于银河系中心外侧，之后这些粒子被气体云减缓速度。

　　该现象是科学家通过"费尔米伽马射线太空望远镜"和高能立体视野望远镜（HESS）观测发现的，研究人员指出，该区域可能聚集银河系最快速的粒子。

研究报告负责人、荷兰阿姆斯特丹大学丹尼尔·加格罗（Danielle Gaggero）说："我们研究结果表明，大多数宇宙射线占据银河系最深处区域，并且它们是能量最充沛的，产生于银河系中心之外的活跃区域，之后宇宙射线减缓穿过，并与气体云发生交互反应。

" 　　费尔米伽马射线太空望远镜和高能立体视野望远镜观测到多数伽马射线喷射物产生的交互作用。

研究人员指出，大约90%的宇宙射线是质子，剩余的是电子和原子核。

当它们穿过太空，磁场将破坏它们的路径，使其很难确定它们的起源。

但是研究人员表示，宇宙射线和物质之间的交互反应为他们提供进一步的线索。

　　美国宇航局指出，这些交互作用导致了伽马射线释放，这是一种最高能量的光形式。

2016年一项天文观测结果显示，伽马射线达到近50万亿电子伏特（TeV），这大约是费尔米大视场望远镜观测能量的50倍。

　　高能立体视野望远镜是一个陆基天文观测设备，它能探测到当大气层吸收伽马射线的释放物质，以蓝色光的形式将粒子发送进入太空。

另一方面，费尔米伽马射线太空望远镜能够探测到宇宙射线。

　　在这项最新研究中，研究人员结合两种类型的观测数据，发现源自银河系中心释放物的连续伽马射线光谱。

研究报告合著作者、西班牙马德里物理理论学院马尔科·陶索（Marco Taoso）说："一旦我们消减亮点光源，我们发现费尔米大视场望远镜和高能立体视野望远镜具有很好的一致性，这有点儿令人感到意外，因为使用了不同能量窗口和观测技术。

" 　　研究人员指出，这表明银河系中其它区域发现的相同宇宙射线与银河系中心伽马射线密不可分，但是这种最高速能量粒子移动效率非常低。

研究报告合著作者、欧洲核子研究中心阿尔弗雷多·厄尔巴诺（Alfredo Urbano）说："研究表明能量最强的宇宙射线在银河系中心度过的时间更多，远超出之前科学家的预期，因此它们对伽马射线形成较强的影响。

" 　　虽然这种效应没有在传统宇宙射线运动模型中体现出来，研究人员称，模拟结果与费尔米伽马射线太空望远镜具有较强的一致性。

研究报告合著作者、安东尼奥·马里内利（Antonio Marinelli）说："用于形成伽马射线的相同高速粒子碰撞也能产生中微子，它们是速度最快、最轻，人们对其了解甚少的粒子。

" 　　美国宇航局戈达德太空飞行中心费尔米研究小组成员里贾纳·卡普托（Regina Caputo）说："南极洲冰立方实验探测到太阳系之外的高能量中微子，但是精确定位其来源是非常困难的。

"这项研究结果表明，在不久的将来，银河系中心可能探测到一个强大的中微子源，这将是非常令人兴奋的。

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