韦布望远镜观测远古小红点星系，证实黑洞早于星系诞生
5 月 31 日消息，詹姆斯・韦布空间望远镜观测到一类被称作“小红点”的远古星系，这或许终于能解答一个谜题：黑洞和它所在的星系，究竟谁先诞生？研究结果出乎科学家的预料，也彻底颠覆了人类对黑洞演化机制的传统认知。
美国国家航空航天局詹姆斯 · 韦布空间望远镜的近红外相机拍摄的一张图像展示了小红点阿贝尔 2744-QSO1，它被星系团阿贝尔 2744（潘多拉星团）放大并形成了三重影像
“小红点”最早于 2022 年由韦布望远镜发现。
天文学家随即意识到，这是一种前所未见的全新天体，或许是一类人类从未观测到的星系。
随着研究深入，这类天体的神秘色彩愈发浓厚：它们在宇宙早期十分普遍，但在宇宙大爆炸发生约 15 亿年后，便逐渐销声匿迹。
而“小红点”也并非韦布望远镜带给科学界的唯一宇宙谜题。
这台造价高达 100 亿美元（IT之家注：现汇率约合 678.67 亿元人民币）的空间望远镜，还发现了大量超大质量黑洞。
在宇宙诞生尚不足 10 亿年时，这些黑洞的质量就已达到太阳的数百万乃至数十亿倍。
这一现象令学界难以解释：按照以往理论，黑洞要通过吞噬物质、不断合并成长为超大质量黑洞，所需时间远不止 10 亿年。
此次针对“小红点”的全新研究提出了一种新观点：早期的超大质量黑洞或许并非由大质量恒星演化数百万年后坍缩形成的恒星级黑洞逐步壮大而来，而是直接诞生的。
这也意味着，这类远古超大质量黑洞无需不断吞噬宿主星系中的大量气体与尘埃来增长体量。
由此可以推断，黑洞的形成时间早于最终包裹它的星系。
英国剑桥大学的研究团队成员罗伯托・迈奥利诺在一份声明中表示：“这是一项重大发现。
它颠覆了传统理论，让我们必须重新审视黑洞的形成与演化模型。
”该团队的相关研究成果已于 5 月 27 日发表在《自然》期刊与《皇家天文学会月报》上。
借助爱因斯坦理论，“小红点”揭开黑洞身世之谜
为得出结论，科学家重点研究了编号为阿贝尔 2744 类星体 1（QSO1）的“小红点”。
该天体存在于宇宙大爆炸后仅 7 亿年的时期，这个远古星系直径仅有 1300 光年，它发出的光线历经 130 多亿年，才抵达地球。
得益于引力透镜效应，QSO1 比其他“小红点”更便于观测研究。
引力透镜效应由爱因斯坦在 1915 年率先提出：当一个大质量天体位于地球与更遥远的背景天体之间时，就会产生这一现象。
光线途经这个充当“透镜”的大质量天体时，会因时空扭曲发生偏折；光线越靠近该天体，偏折程度就越大。
背景天体的光线会以不同时长抵达地面望远镜，同时天体影像也会被放大。
QSO1 恰好被星系团阿贝尔 2744（又名潘多拉星系团）产生的引力透镜效应放大。
美国国家航空航天局詹姆斯 · 韦布空间望远镜的近红外相机拍摄的图像细节展示了“小红点”阿贝尔 2744-QSO
研究人员最初推测，QSO1 本质是一个质量达太阳 4000 万倍的超大质量黑洞，外围包裹着氢、氦气体云。
但当时，科学界始终无法精准测定这个黑洞的真实质量。
同为剑桥大学的团队成员弗朗切斯科・德欧杰尼奥解释道：“在此之前，人类对早期宇宙黑洞的质量测算全是间接推算，依据的是邻近宇宙中黑洞的现有规律。
我们无法确定，这些规律是否同样适用于遥远的早期宇宙。
”
研究团队提出猜想：如果 QSO1 中心黑洞的质量与最初测算结果一致，那么黑洞的引力必然会影响周围气体的运动轨迹。
为此，团队利用韦布望远镜的近红外光谱仪，追踪气体的运动状态。
观测发现，这些气体围绕中心点运转，运动规律和太阳系行星绕太阳公转如出一辙，这便是开普勒运动。
团队联合负责人、剑桥大学的伊格纳斯・尤奥德扎巴利斯表示：“这一现象足以证明，QSO1 的绝大部分质量都集中在中心黑洞上。
如果天体以恒星为主、质量分布相对分散，外围气体就不会呈现出如此标准的开普勒旋转特征。
”
借助这一发现，团队首次完成了对 QSO1 中心黑洞质量的直接测算。
迈奥利诺评价：“这是一项极具突破性的成果。
人类首次直接测出宇宙诞生 10 亿年内黑洞的质量，且实测结果与此前间接推算的数据相吻合。
”
测算结果显示，该超大质量黑洞的质量相当于 5000 万个太阳，其质量占整个“小红点”天体总质量的 66%。
这一比例，比邻近宇宙中黑洞与宿主星系的质量比值高出数千倍。
这一数据也印证：该黑洞不可能由恒星坍缩形成，也并非依靠不断吞噬周边星系物质慢慢壮大。
它自诞生起就是巨型黑洞，而后星系物质才逐渐在其周围聚集、慢慢演化成型。
目前，QSO1 中心黑洞仍存有诸多未解之谜，其具体形成机制更是核心疑点。
研究团队推测，它可能由一团巨型气体尘埃云坍缩形成的“重黑洞种子”演化而来；也有可能是在宇宙大爆炸的最初阶段，通过某种人类尚未知晓的过程直接诞生。
研究团队基本可以确定，在早期宇宙的“小红点”族群中，像 QSO1 这样的天体并非个例。
目前，科学家正在观测其他“小红点”，验证它们是否也都拥有巨型黑洞，且星系正处于围绕黑洞逐步形成的阶段。
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
