宇宙探索·快速射电暴——毫秒级宇宙神秘信号
宇宙探索·快速射电暴——毫秒级宇宙神秘信号
✨ 来自数十亿光年外的毫秒级射电脉冲，挑战现有物理 ✨
核心科普：快速射电暴（Fast Radio Burst，简称FRB）是一种持续时间仅几毫秒的强烈射电脉冲，起源于银河系外的遥远星系。
自2007年首次发现以来，FRB已成为天文学最热门的前沿领域之一，其起源和物理机制仍是未解之谜。
发现与早期困惑
2007年，天文学家Duncan Lorimer在分析Parkes射电望远镜的存档数据时，意外发现了一个持续时间仅5毫秒的强烈射电脉冲。
这个信号来自小麦哲伦云方向，但通过分析其色散量（Dispersion Measure，DM），发现远远超过银河系内可能的值——这意味着信号源位于银河系外，距离约30亿光年！这个发现当时被称为"Lorimer Burst"，但起初并未引起广泛关注，甚至有人怀疑是仪器干扰或人为信号。
直到2013年，Thornton等人利用Parkes望远镜一次性发现了4个FRB，才确认这是一种新的天体物理现象。
此后，随着CHIME（加拿大氢强度测绘实验）望远镜在2018年投入使用，FRB的发现数量呈爆发式增长——到2025年，已发现的FRB事件超过1000个，其中约50个是"重复暴"（即同一位置观测到多次爆发）。
物理特征与谜团
FRB具有几个令人困惑的特征：
1. 极高的色散量：FRB信号在低频处延迟到达，这表明信号在传播过程中穿过了一个充满自由电子的介质。
色散量DM可以转换为"红移"的近似值，从而估计距离。
大多数FRB的DM值对应着 cosmological 距离（数亿至数十亿光年）。
2. 极高的峰值流量：尽管距离极远，FRB在地球上仍能产生可探测的射电信号，意味着其各向同性辐射功率可达10³⁸-10⁴⁵ erg/s——相当于太阳几天到几周内辐射的总能量在几毫秒内释放！
3. 复杂的时变结构：一些FRB显示出亚毫秒级的精细时变结构，这意味着辐射区域的尺寸不超过600公里（光在1毫秒内传播的距离）——这指向致密天体，如中子星或黑洞。
4. 宿主星系多样性：通过精确定位少数FRB的宿主星系，发现它们分布在各种类型的星系中——从年轻的恒星形成星系到古老的椭圆星系，暗示FRB可能与多种天体物理过程相关。
主流起源假说
目前关于FRB起源的主流假说包括：
1. 磁星起源：这是目前最受支持的假说。
磁星是拥有极强磁场（10¹⁴-10¹⁵高斯）的中子星。
2020年4月，银河系内的磁星SGR 1935+2154产生了一个射电爆发，其性质与FRB相似（尽管能量低一个数量级）。
这为"至少一部分FRB来自磁星"提供了直接证据。
但银河系内磁星的事件能量远低于 cosmological FRB，这意味着要么 cosmological FRB来自更年轻的、磁场更强的磁星，要么存在某种"放大"机制。
2. 中子星合并或坍缩：一些FRB（尤其是非重复暴）可能来自中子星-中子星合并、或大质量恒星坍缩成黑洞的过程。
这些灾难性事件可以解释FRB的一次性特征和极高能量。
3. 外星文明信号？：2017年，哈佛-史密森天体物理中心的Avi Loeb曾提出，FRB可能是外星文明用于推动光帆的射电束泄漏。
这一假说虽然吸引公众眼球，但缺乏实证支持，且大多数天文学家更倾向于自然起源解释。
未来展望
随着更多射电望远镜阵列的投入使用（如澳大利亚的ASKAP、中国的FAST、美国的VLA），FRB的研究正步入黄金时代。
关键的科学问题包括：重复FRB和非重复FRB是否来自同一类天体？FRB能否作为探测星系际介质的探针（通过测量DM随红移的演化）？FRB能否用于限制宇宙学参数（如哈勃常数H₀）？
无论如何，FRB作为宇宙中最剧烈的射电现象之一，已经为我们打开了一扇探索极端物理条件的新窗口。
CHIME/FRB Collaboration：A bright millisecond-duration radio burst from a Galactic magnetar Wikipedia：Fast Radio Burst Lorimer et al. 2007：A Bright Millisecond Radio Burst of Extragalactic Origin CHIME/FRB：The CHIME Fast Radio Burst Project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
