哈勃发现仙女座星系恒星形成正在放缓
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我们最近的星系邻居的图像，由哈勃望远镜411次独立观测中拍摄的共7398张曝光照片组合而成。
图片来源：NASAESA华盛顿大学PHAT调查团队。
仙女座星系是银河系最邻近的宇宙邻居之一，是天文学家们十分感兴趣的研究对象。
它距离地球约250万光年，在光线条件允许的情况下，肉眼即可观测到，这让天文学家能够详细研究其恒星群体。
此外，这个星系的大小约为银河系的两倍（20万光年），恒星数量是银河系的五倍——大约有一万亿颗恒星。
因此，仙女座星系让天文学家能更好地理解我们银河系的演化，同时也为了解宇宙中一些最大的星系提供了洞见。
在一项利用美国国家航空航天局哈勃太空望远镜开展的两项调查数据进行的新研究中，华盛顿大学研究人员领导的团队发现，仙女座星系的恒星形成活动正在减弱。
发表在《天体物理学杂志》上的研究结果表明，恒星形成在过去5亿年里一直处于下降趋势，而在最近4000万年里下降得更为陡峭。
星系盘内的恒星形成由多种因素驱动，这些因素可分为内部和外部两类。
内部机制包括分子云通过引力、磁场或冲击波等力量积聚质量，这些力量将气体和尘埃推到一起，直到发生引力坍缩。
仙女座星系也是一个低电离核发射线区（LINER）螺旋星系。
尽管从天文角度来看它很近，但它仍然非常遥远且难以研究。
图片来源：NASAESA哈勃
同时，外部作用力包括星系合并，这种合并会压缩两个星系的气体和尘埃，从而触发新恒星的诞生。
经历过近期恒星形成的星系区域往往含有更大比例的蓝色恒星（O型、B型和A型），因为这些恒星质量更大且寿命较短。
质量较小的恒星，比如M型红矮星，亮度更低，且寿命长得多（可达数万亿年）。
因此，近期恒星形成较少的区域往往拥有更红的恒星群体。
计算恒星形成速率需要天文学家测量每年转化为恒星的气体和尘埃质量。
结果以太阳质量为单位表示，每个太阳质量相当于我们太阳的质量：2×10³⁰千克，或2×10²⁷公吨（2.2×10²⁷美吨）。
在这项研究中，研究人员结合了泛色哈勃仙女座宝库（PHAT）和泛色哈勃仙女座南部宝库（PHAST）的数据。
PHAT调查从紫外到近红外光谱测绘了M31恒星形成盘约三分之一的区域（1亿颗恒星），而PHAST则跟进，在光学近紫外波段解析了9000万颗恒星。
这些观测研究共同以极高的细节度绘制了仙女座星系盘约三分之二的区域，呈现出仙女座星系过往活动的详细图景。
研究团队首先将仙女座星系的图像划分为数千个正方形区域，每个区域的边长为300光年。
通过这些区域，研究团队确定了每个区域内的恒星形成历史，以全面了解仙女座星系盘中的恒星演化。
我们需要测量单个恒星，因为它们是星系形成的化石记录，该研究的合著者、华盛顿大学天文学家本威廉姆斯说。
哈勃望远镜是能在足够大的区域内提供足够高空间分辨率，从而在仙女座星系中完成这项工作的望远镜之一。
哈勃拍摄的仙女座星系图像，显示了经历过近期恒星形成的较蓝区域（1）和近期恒星形成较少的较红区域（2）。
图片来源：NASAESA华盛顿大学西北大学空间望远镜科学研究所
先前的研究表明，仙女座星系大约在20亿年前经历过一次恒星形成爆发，可能是由星系合并引起的，但随后开始衰退。
研究团队计算得出，5亿年前，仙女座星系的恒星形成速率约为每年一个太阳质量，到4000万年前降至约一半。
他们发现，当前的速率进一步下降到了每年约五分之一太阳质量。
该团队还发现，近期的恒星形成大多发生在距离星系中心约32000光年的一个恒星形成环中，而非遍布整个星系。
这表明他们所观察到的大部分衰退是由该环结构内活动减少所驱动的。
他们推测，这很可能是其之前更活跃状态的自然减弱，而非新恒星形成材料减少的结果。
团队还研究了恒星形成率的下降是否与仙女座星系靠近M32有关。
这个卫星星系与仙女座星系相距约1.6万光年，天文学家不确定它过去是否以及何时与仙女座星系发生过相互作用。
解决这个问题是PHAST调查的主要动机之一，该调查让团队得以研究两个星系之间的恒星形成历史。
结果显示，两个星系之间的区域也在很久以前开始出现恒星形成率下降的现象。
这种减少的时间点可能帮助天文学家解开过去可能存在的相互作用之谜。
我们不能明确说我们看到的恒星形成减少是因为M32。
但它就在那里，而且绝对是最有可能的嫌疑对象，韦纳说。
该团队计划结合哈勃数据和地面观测，继续分析仙女座的恒星形成历史，以获得更深入的见解。
当天美国国家航空航天局的南希格蕾丝罗曼太空望远镜发射时，天文学家们将了解到更多信息，该望远镜计划于不久后发射。
凭借其巨大的视场——在单次观测中，其近红外波长下的视场至少是哈勃望远镜的100倍——天文学家将能够更详细地绘制仙女座星系的地图。
美国国家航空航天局（NASA）已批准一项观测计划，该计划将对仙女座星系的整个圆盘及周边区域进行成像，使天文学家能够测量数亿颗恒星。
这些研究将有助于揭示仙女座星系以及我们银河系中的恒星演化过程。
BY: Matthew Williams
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.
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
