欧几里得任务的新图像揭示了黑暗宇宙的广阔前景

据美国宇航局喷气推进实验室：在美国国家航空航天局的贡献下，该任务将补充该机构即将推出的南希·格雷斯罗马太空望远镜进行的暗能量研究。

由欧空局（欧洲航天局）牵头，美国国家航空航天局（NASA）参与的欧几里得任务发布了五张新图像，展示了太空望远镜探索两个大规模宇宙奥秘的能力：暗物质和暗能量。

暗物质是一种不可见的物质，在宇宙中的常见程度是“规则”物质的五倍，但成分未知。

“暗能量”是指导致宇宙膨胀越来越快的未知来源。

到2030年，欧几里得将使用比美国国家航空航天局的哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜更宽的视场创建一张覆盖近三分之一天空的宇宙地图，哈勃和詹姆斯·韦布太空望远镜旨在更详细地研究更小的区域。

然后，科学家们将以比以往任何时候都更高的精度绘制暗物质的存在图。

他们还可以使用这张地图来研究暗能量的强度是如何随着时间的推移而变化的。

这五张新图像以不同大小的视图为特色，从银河系的恒星形成区域到数百个星系团，都是在欧几里得于2023年7月发射后不久拍摄的，这是其早期发布观测计划的一部分。

去年，在科学家分析数据之前，该任务发布了该项目的五张图像，作为欧几里得将提供的预览。

这些新的图像、相关的科学论文和数据可以在欧几里得的网站上找到。

欧空局关于这些发现的预先录制的节目可在欧空局电视台和YouTube上观看。

美国国家航空航天局即将推出的Nancy Grace Roman太空望远镜的任务规划者将利用欧几里得的发现为Roman的互补暗能量工作提供信息。

科学家们将利用具有更好灵敏度和清晰度的Roman，通过研究更暗、更远的星系来扩展欧几里得所能实现的科学。

弯曲空间

Abell 2390是一个距离地球27亿光年的星系团，在这张照片中可以看到50000多个星系。

在图像中心附近，一些星系看起来有污点和弯曲，这种效应被称为强引力透镜，可用于探测暗物质。

图像：uux.cn欧空局/欧几里得/欧几里得联盟/美国国家航空航天局，J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay），G.Anselmi的图像处理；

CC BY-SA 3.0 IGO或ESA标准许可证

欧几里得将帮助科学家研究暗物质的一种方法是观察这种神秘现象如何扭曲来自遥远星系的光，正如在一张名为Abell 2390的星系团的新图像中所看到的那样。

星系团的质量，包括暗物质，在太空中形成曲线。

来自更远星系的光在这些曲线上传播时似乎会弯曲或弯曲，类似于光穿过旧窗户扭曲的玻璃时的样子。

有时，这种扭曲是如此强大，以至于可以产生同一星系的环、明显的弧或多个图像——这种现象被称为强引力透镜。

对探索暗能量效应感兴趣的科学家将主要寻找一种更微妙的效应，称为弱引力透镜，这需要详细的计算机分析来检测和揭示更小的暗物质团块的存在。

通过绘制暗物质的地图并追踪这些团块是如何随时间演变的，科学家们将研究暗能量的向外加速如何改变暗物质的分布。

美国国家航空航天局位于南加州的喷气推进实验室的欧几里得项目科学家Mike Seiffert说：“因为暗能量是一种相对较弱的影响，我们需要更大规模的调查来提供更多的数据和更好的统计精度。

”。

“我们不能放大一个星系并对其进行详细研究。

我们需要观察更大的区域，但仍然能够检测到这些细微的影响。

要做到这一点，我们需要像欧几里得这样的专业太空望远镜。

”

该望远镜使用两种仪器来检测不同波长的光：可见光成像仪（VIS）和近红外光谱仪和光度计（NISP）。

前景星系发出更多可见光波长的光（人眼可以感知的波长），而背景星系通常在红外波长更亮。

美国国家航空航天局欧几里得暗能量科学团队的首席研究员、喷气推进实验室的Jason Rhodes说：“用这两种仪器观测星系团，可以让我们在比单独使用可见光或红外更宽的距离内看到星系。

”。

“欧几里得可以使这些类型的深、宽、高分辨率图像比其他望远镜快数百倍。

”

超越暗能量的发现

欧几里得的大视场捕捉到了整个星系NGC 6744，并向天文学家展示了恒星形成的关键区域。

恒星的形成是星系生长和演化的主要方式，因此这些研究对于理解星系为什么看起来像这样至关重要。

图像：uux.cn欧空局/欧几里得/欧几里得联盟/美国国家航空航天局，J.-C.Cuillandre（CEA Paris Saclay），G.Anselmi的图像处理；

CC BY-SA 3.0 IGO或ESA标准许可证

虽然暗物质和暗能量是欧几里得的核心，但该任务还有其他各种天文应用。

例如，欧几里得的大面积天空图可以用来发现微弱的物体，并观察宇宙物体的变化，比如恒星亮度的变化。

欧几里得的新科学成果包括探测到自由漂浮的行星（不绕恒星运行的行星），这些行星因其微弱而难以找到。

此外，数据还揭示了新发现的棕矮星。

这些物体被认为像恒星一样形成，但不太大，无法在其核心开始融合，突显了恒星和行星之间的差异。

Seiffert说：“现在公布的数据、图像和科学论文标志着欧几里得科学成果的开始，它们展示了超出任务主要目标的惊人的科学多样性。

”。

“我们已经从欧几里得的广阔视野中看到了研究单个行星、我们银河系的特征以及大尺度宇宙结构的结果。

跟上所有的发展，既令人兴奋，又有点势不可挡。

”

关于使命

美国国家航空航天局支持的三个科学团队为欧几里得任务做出了贡献。

除了为欧几里得的近红外光谱仪和光度计（NISP）仪器设计和制造传感器芯片电子设备外，JPL还领导了NISP探测器的采购和交付。

这些探测器以及传感器芯片电子器件在马里兰州格林贝尔特戈达德航天飞行中心的美国国家航空航天局探测器特性实验室进行了测试。

位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院IPAC的欧几里得美国国家航空航天局科学中心（ENSCI）将存档科学数据，并支持美国的科学调查。

JPL是加州理工学院的一个部门。

量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗

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

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