X射线揭示黑洞驱动的星系风

NGC4151的吸积盘呈蓝色，紧邻星系中心的黑洞。

包括密歇根大学天文学家在内的科研人员正揭示吸积盘产生的风或外流如何重塑其宿主星系。

这些外流以纤细的浅蓝色线条呈现，吹拂过环绕黑洞的偏橙色气体云。

图片来源：JAXA

来自超大质量黑洞的强劲风可能是导致宇宙中一些最大星系恒星形成速率低于预期的原因。

天文学家们正在借助X射线成像和光谱学任务（XRISM）获得关于宇宙最大谜题的新见解。

密歇根大学的研究人员发现了证据，表明由超大质量黑洞驱动的强大风力可能解释了为什么最大的星系中包含的恒星数量少于科学家们的预期。

当前理论预测，这些巨型星系所拥有的恒星质量应远高于其实际观测值。

新研究结果表明，黑洞可通过驱散星系中形成新恒星所需的气体，从而抑制恒星形成。

黑洞风可能正在阻止新恒星的形成

黑洞以其强大的引力而闻名，一旦光线越过事件视界便无法逃脱。

然而，在该边界之外，黑洞还能形成吸积盘——一个由气体和尘埃组成的旋转环状结构，它在电磁波谱范围内发出强烈辐射，包括X射线。

条件在吸积盘内部极为剧烈。

当物质向内螺旋运动时，摩擦和引力将其加热成一个极热的等离子体，使电子从原子中剥离出来。

这种湍流环境还可以引发强大的风，将气体推离星系。

如果这些风足够强大，它们可以移除未来恒星形成所需的原始材料。

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利用XRISM任务的观测数据——该任务由日本宇宙航空研究开发机构主导，并与美国国家航空航天局及欧洲航天局合作开展——密歇根大学博士研究生辛辛迪翔发现了支持这一情景的证据。

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XRISM为黑洞外流提供了前所未有的视角

XRISM于2023年发射升空，于2024年秋季开始科学观测。

其X射线能量分辨率约为其前身的10倍，使天文学家能够以更高精度研究黑洞周围环境。

向和她的同事们专注于NGC4151，这是一个距离地球5000多万光年的明亮星系。

在其核心存在一个活跃的星系核（AGN），那里有一个超大质量黑洞正在积极吞噬周围的物质。

这一过程形成了一个明亮的吸积盘，使该星系成为研究高速外流现象的理想实验室。

借助XRISM，我们获得了观测最亮活动星系核时的最高分辨率，并且正在获取迄今为止关于吸积盘外流最为丰富的信息。

向说道。

此前，项与密歇根大学天文学教授乔恩米勒合作研究发现，NGC4151吸积盘内产生的风速足以将物质从星系中吹离。

她的研究还指出，磁离心驱动机制是驱动这些风的成因，该过程类似于引发太阳耀斑的作用力。

新方法揭示最快风速出现的时间

在第248次美国天文学学会会议上，向在加利福尼亚州帕萨迪纳举行的会议上介绍了一种新方法，用于准确确定NGC4151星系风何时开始活跃。

由于活动星系核风可以随时间发生显著变化，Xiang分析了XRISM对NGC4151长达数百天的观测数据。

她寻找该星系X射线亮度中的峰值现象，即所谓的耀斑，并追踪这些信号在随后数小时内的演化过程。

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部分原因是因为我的名字叫辛迪，向说道，但这一概念的含义是，未来你可以告诉我此刻你的信源的‘辛迪度’，我就能据此判断你观测到快速外流的概率。

X射线与黑洞风之间的首个直接时序关联

在NGC4151中，向翔发现最强的快速喷流出现在X射线能量较高但亮度相对较弱的时候。

令人意外的是，最快的外流现象并未出现在X射线耀斑发生的瞬间，而通常是在耀斑发生约10,000秒，即不到三小时之后才出现。

这一延迟首次直接揭示了X射线辐射变化与强大外流之间的时序关联，而这种外流能够通过抑制新恒星的形成来重塑星系。

相关知识

X射线是一种波长极短、能量很高的电磁波，由原子内层电子跃迁或高速电子骤然减速时产生。

它具有强穿透能力，能穿过软组织但被骨骼等密度较高物质部分吸收，因此广泛应用于医学影像、材料检测和科学研究等领域。

X射线不可见，需借助特殊设备探测，过量接触可能损伤生物组织，使用时需采取适当防护措施。

BY: Matt Davenport, University of Michigan

FY: AI

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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.