银河考古学家发现银河系恒星源自其他星系
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一幅插图展示了我们的银河系与邻近的仙女座星系预计合并过程中的一个阶段，这一过程将在未来数十亿年内展开。
美国国家航空航天局；欧洲空间局；空间望远镜科学研究所的Z莱维与R范德马雷尔；T哈拉斯；以及A梅林格
在漆黑的夜晚抬头仰望，银河就像一条平静的星带横贯天空。
但我们的星系有着狂暴的过去。
130多亿年来，它通过恒星形成和与其他星系的合并不断成长。
我们已经知道，有几个大型星系曾帮助塑造了早期的银河系。
一项发表在《自然天文学》上的新研究如今让这些事件中最早期的一件变得更加清晰。
由意大利博洛尼亚天体物理与空间科学天文台的天文学家达维德马萨里领导的团队，利用超致密星团异常精确的年龄数据，更好地确定了这场古老合并发生的时间、闯入星系的质量，以及它在成为银河系一部分之前是如何演化的。
这将我们带入银河系历史上最具形成意义——也最难重现——的时期之一：它最初的几十亿年。
星系通过合并而成长
在我们当前关于星系形成的理论中，大型星系是随着较小的星系系统在引力作用下聚集并合并而逐渐形成的。
引力会将进入的星系撕裂，并将其恒星散布到更大的星系系统中。
数十亿年后，这些恒星仍然能保留它们起源地的线索。
因此，银河系包含着它所吸收过的星系的化石记录。
这一观点的重要性在今年得到了凸显，当时卡弗里天体物理学奖被授予瓦西里别洛库罗夫、阿米娜赫尔米和罗德里戈伊巴塔，以表彰他们在发现过去合并事件的化石证据以及展示银河系如何通过这一过程成长方面的开创性工作。
那段历史中最清晰的篇章之一是盖亚–香肠–恩克拉多斯星系（简称GSE）：一个大约在100亿年前与银河系合并的大型星系。
但回溯到更久远的时期就变得困难得多。
在更早的时候，银河系本身还很小，与它合并的星系是重要的组成部分，而不是坠入成熟星系的小型卫星星系。
之前的研究已经证实了在GSE之前发生过另一次重大合并事件，该事件与被称为KrakenHeracles的恒星群以及一组低能量球状星团有关。
这项新研究大大加深了我们对这一事件的认识。
球状星团让图景更清晰
马萨里及其同事利用了球状星团：这是由数十万颗大致同时形成的恒星组成的密集星团。
这使它们成为异常精确的宇宙时钟。
测定单个古老恒星的年龄很困难，但球状星团让天文学家能够比较许多年龄相同的恒星。
利用哈勃太空望远镜的精细观测数据和复杂的建模技术，研究人员确定了银河系中球状星团非常精确的相对年龄。
然后他们将这些年龄与每个星团的金属丰度进行了比较——金属丰度指的是比氢和氦这两种最轻元素更重的元素的丰度。
星系会随着时间的推移在化学上自我富集。
随着一代又一代恒星的形成和死亡，它们产生的新元素会被融入后续的恒星代中。
通过比较这些球状星团的年龄和金属丰度，研究人员能够了解它们的形成历史。
惊人的结果是，银河系的球状星团追踪到了三条不同的年龄—金属丰度序列。
其中一个与早期银河系本身相关。
另一个属于盖亚香肠恩克拉多斯。
它们之间存在一个与更早合并事件相关的第三序列。
作者估计该事件发生在GSE形成前约18亿年，涉及一个包含约5亿个太阳质量恒星的星系——其恒星质量与GSE相似。
它的大部分物质沉积在银河系的最内部区域。
由于连接了多个先前命名的结构，作者们将其前身称为低能克拉肯赫拉克勒斯（Lowenergy–Kraken–Heracles），简称LKH。
从知道事情发生到重建事情的经过
这就是让结果特别有趣的原因。
这一进展并非银河系家族树上的又一个分支。
早期研究已揭示了这一早期吸积事件。
新的精确性使我们能够对该分支给出更准确的时间和描述。
三条年龄金属丰度序列开始区分早期银河系、LKH和GSE的化学历史。
因此，我们不仅可以询问这些星系何时发生碰撞，还可以询问它们当时是什么样的，以及它们在此之前是如何演化的？
这在这些极早期阶段尤其有价值。
银河系最初的几十亿年发生了大量重大事件，其演化的主要阶段接连快速出现。
仍然存在局限性。
球状星团提供的记录并不完整：一些早期星系可能形成的星团很少，而另一些可能已经失去了它们。
重建合并特性也不可避免地依赖于模型。
但这种方法提供了一些独特的东西。
像詹姆斯韦布空间望远镜这样的望远镜现在能够观测到遥远星系120多亿年前的样子。
这些观测让我们直接看到了与年轻银河系形成时期相同年代的星系——但通常无法分辨它们的单个恒星。
银河系提供了互补的视角。
在这里，我们可以极其详细地研究同一时期幸存下来的恒星和星团。
遥远天文学为我们提供了年轻星系的快照。
银河考古学为我们提供了它们的化石。
他们正共同将银河系曾经模糊的童年，转化为关于年轻宇宙中星系如何形成的越来越详细的历史。
相关知识
银河系是地球所在的棒旋星系，由数千亿颗恒星、行星、星云及暗物质等组成，整体呈扁盘状，中心为银心，周围分布着几条主要旋臂。
它直径约10万光年，太阳系位于其中的猎户座旋臂上，围绕银心以约2.5亿年的周期缓慢旋转。
BY: Sven Buder
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
