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詹姆斯·韦伯宇宙望远镜拍摄的新图像揭示了惊人的土星及其光环

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-28

詹姆斯·韦伯宇宙望远镜拍摄的新图像揭示了惊人的土星及其光环。

鸣谢:美国宇航局、ESA、CSA、STScI、Matt Tiscareno SETI研究所、Matt海德曼 爱达荷大学、Maryame El Moutamid 康奈尔大学、Mark Showalter SETI研究所、Leigh Fletcher 莱斯特大学、Heidi Hammel AURA、J. DePasquale STScI

神奇的地球uux.cn据SETI研究所:准备好被最新的詹姆斯·韦伯宇宙望远镜 JWST图像所震惊吧。

在这张令人难以置信的红外照片中,土星的标志性光环似乎发出怪异的光芒,这也揭示了土星大气中出乎意料的特征。

这幅图像当作一个观测项目的背景,该项目将测试望远镜探测行星周围暗淡卫星及其璀璨光环的能力。

任何新发现的卫星都可以帮助科学家们拼凑出一幅更完整的土宇宙岛统及其过去的图像。

甲烷气体吸收了这张图片中特定红外波长 3.23微米下落在大气上的几乎所有阳光。

因此,我们看不到土星熟悉的条纹图案侦破纪实:因为富含甲烷的上层大气阻挡了我们对原始云的观察。

相反,土星的圆盘看起来是黑暗的,我们看到了与高海拔平流层气溶胶相关的特征,包括土星北半球的大型、黑暗和扩散结构,这些结构与行星的纬度线不一致。

有趣的是,研究人员之前在早期JWST的木星NIRCam观测中发现了类似的波状。

与大气层不同,土星环缺乏甲烷,因此在这个红外波长下,它们并不比日常更暗,因此很容易胜过黑暗的行星。

这张土星的新图像也揭示了环系统中错综复杂的详情,展示了该行星的几个卫星,如土卫四、土星的第二个卫星和土卫三。

詹姆斯·韦伯宇宙望远镜的NIRCam仪器于2023年6月25日拍摄的土星及其部分卫星的图像。

在这个单色图像中,NIRCam滤光器F323N 3.23微米用橙色色调进行颜色映射。

鸣谢:美国宇航局、ESA、CSA、STScI、Matt Tiscareno SETI研究所、Matt海德曼 爱达荷大学、Maryame El Moutamid 康奈尔大学、Mark Showalter SETI研究所、Leigh Fletcher 莱斯特大学、Heidi Hammel AURA、J. DePasquale STScI

“我们很高兴看到JWST产生了这张美丽的图像,这证实了我们的深层科学数据也证明了这一点,”SETI研究所的高级研究科学家Matthew Tiscareno博士说,他领导了这项观测的设计过程。

"我们期待着挖掘深层暴露,看看会有什么发现。

"

在过去的几十年里,NASA的先锋11号、旅行者1号和2号、卡西尼号飞船和哈勃宇宙望远镜已经观测到了土星的大气层和光环。

JWST捕捉到的图像只是这个天文台当作科学家在未来几年将揭示的土星的一部分。

这幅图像是一组深度曝光图像的一部分,研究人员希望在这里识别新的土星环结构,甚至可能是土星的新卫星。

从土星环的内部到外部特征,我们可以观察到黑暗的C环,璀璨的B环,狭窄和黑暗的卡西尼分裂,以及中等亮度的A环,其外部边缘附近有黑暗的恩克间隙。

此外,在A环的外缘,我们可以看到被称为F环的窄股。

光环在地球上投下了阴影,反之亦然,制造了迷人的视觉效果。

这张照片中没有显示的深度曝光将使科学家能够研究土星的暗环,包括薄G环和扩散E环,在这里看不到。

土星环由各种各样的岩石和冰碎片组成,大小从小于一粒沙子到地球上的山脉。

最近,研究人员使用JWST探测土星的第二个卫星,并发现了从月球南极洲发出的大量羽状物。

这个羽状物包含微粒和大量的水蒸气,形成了土星的E环。

比较这张图片中土星的北极和南极洲,我们可以观察到典型的季节变化。

土星北半球现在是夏季,而南半球正从冬季的黑暗中走出。

然而,北极看起来不寻常的黑暗,可能是由于影响极地气溶胶的未知季节过程。

土星盘面边缘的微弱光亮可能归因于高空甲烷荧光或电离层三氢离子 H3+的发射。

JWST的光谱学可以帮助确认这些可能性。

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

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