JWST发现早期宇宙中不应如此成熟的星系团
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詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的观测结果显示，XLSSC122早在100多亿年前就已经异常巨大且呈中心聚集态，这让标准的星系团形成模型难以对其进行解释。
版权所有：加州理工学院红外处理与分析中心（CaltechIPAC）
美国国家航空航天局（NASA）詹姆斯韦伯太空望远镜的最新观测结果加深了一个谜团。
该谜团涉及早期宇宙中一个年轻但却异常成熟的星系团，它对有关宇宙演化的主流观点提出了挑战。
一个在这类结构被认为不应发育得如此成熟的时期形成的、密度和质量都极其高的星系团，正给当前的宇宙演化理论带来挑战。
在最近发表的三篇论文中，由加州理工学院天体物理学和行星科学科学与数据中心IPAC的科学家牵头的一个团队指出，该星系团是已知距离最远的、产生强引力透镜效应的星系团实例。
这些发现基于美国国家航空航天局詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的观测结果，在第248届美国天文学会会议上被公布。
天文学家一首次观测到名为XLSSC122的星系团，就意识到它不同寻常。
尽管它距离地球超过100亿光年，处于其他星系组群才刚刚开始汇聚的时期，但该星系团看起来演化程度很高，也就是说它像在附近现代宇宙中看到的星系团一样庞大且有序。
詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）在聚光和分辨精细细节方面的卓越能力如今已揭示，XLSSC122恰好与一个或多个更遥远的星系对齐。
由于这种偶然的对齐，该星系团的强大引力使来自更遥远星系的光线发生弯曲，产生了一种极为罕见的效应，称为强引力透镜效应。
这种效应让科学家得以对XLSSC122的质量进行新的精确测量。
当我们首次从詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）接收到那些图像时，我们不禁惊叹：‘哇，快看呐，这个星系团产生了强引力透镜效应’加州理工学院红外处理和分析中心（IPAC）的工作人员科学家、首篇研究该星系团的论文的第一作者凯尔芬纳说道。
XLSSC122现已创下拥有强引力透镜效应的最遥远星系团的纪录，而强引力透镜效应是天文学家的宝贵工具。
这张双面板图像展示了一个遥远的星系团，该星系团由美国国家航空航天局（NASA）的哈勃太空望远镜和詹姆斯韦布太空望远镜（JWST）观测到。
距离地球超过100亿光年的XLSSC122星系团是已知最远的、被发现具有强引力透镜效应的星系团，它能放大并扭曲其后方更遥远星系的图像。
图片来源：RobertHurt（加州理工学院IPACSELab）
詹姆斯韦布空间望远镜的开创性观测为天文学家提供了迄今为止最详尽的视角，让他们得以了解所谓宇宙正午时期年轻星系内部的情况。
在那个关键时期，随着恒星形成达到峰值速率，星系开始大规模形成恒星，恒星形成的速度比现在快了多达100倍。
XLSSC122持续打破预期。
它的质量极其紧密地聚集在星团中心。
在宇宙历史如此早期发现这种高度集中的结构，很难与标准宇宙学模型相协调——这些模型预测大型结构的形成速度要慢得多。
芬纳说：XLSSC122是我们已知的宇宙中最早形成的星团之一，其质量集中度与我们的宇宙学模型预测不符。
在黑暗中看见；在黑暗中视物
XLSSC122于2014年通过欧洲航天局的XMM牛顿航天器进行的X射线巡天首次被发现。
后来哈勃太空望远镜的观测帮助确认了该星系团的距离约为104亿光年，以及其出人意料的成熟结构。
哈勃的数据没有显示出强引力透镜效应的清晰证据，这种效应在詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的图像中表现为星系团中心周围的光弧。
因此，用詹姆斯韦布空间望远镜观测到这些光弧是一个重要的惊喜。
芬纳表示：在詹姆斯韦布空间望远镜问世前，我们无法在早期遥远的宇宙中开展这种水平的科学研究。
XLSSC122中的可见物质，包括其明亮的恒星和发光气体，仅对强透镜效应贡献很小一部分。
该效应的大部分来自暗物质——这种不可见且仍未被充分理解的物质具有引力，但不会产生直接可探测的信号。
现有研究表明，暗物质的质量远大于构成恒星、行星和人类的普通物质，比例约为五比一。
这幅图像展示了遥远的星系团XLSSC122，它是由美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）所观测到的。
图像正中心最亮的橙红色模糊天体团块是该星系团的中心星系。
引力透镜效应下的背景星系呈现为一系列蓝灰色的弧线，环绕在中心星系模糊的边界周围，尤其在右下方更为明显。
鸣谢：罗伯特赫特（加州理工学院美国宇航局红外处理与分析中心科学可视化实验室）
暗物质在宇宙学中至关重要，因为它有助于将星系维系在一起，并塑造宇宙的大尺度结构——星系在那里聚集成群，最终形成横跨太空的巨大丝状结构。
测量XLSSC122中的暗物质分布，为这一理论框架以及它对宇宙大爆炸以来宇宙结构演化的解释能力提供了有力检验。
芬纳说：强引力透镜效应是一种无需直接观测到暗物质就能测量暗物质的方法，它为我们提供了探测宇宙学模型的灵敏探针。
星系团的完整视图
在第二篇论文中，芬纳及其同事研究了一种更为微妙的引力透镜效应，即弱引力透镜。
强引力透镜在视觉上显而易见，但弱引力透镜只会使星系形状产生小得多的扭曲。
这些微小的效应只能通过统计分析来检测。
强引力透镜让研究团队能够测量星系团的中心区域，而弱引力透镜则有助于揭示更远处的质量分布，包括更广阔的星系团环境及其外围的星系成员。
弱引力透镜可以在更远的地方对质量进行约束，因此能更清晰地了解星系团周围区域的情况，芬纳说。
这种更全面的观测视角，结合来自其他几台望远镜的X射线和无线电波观测数据，表明XLSSC122仍在合并过程中，其内部星系持续聚合。
第二项研究也支持了第一项研究的结论，即XLSSC122拥有一个非常巨大且集中在中心的质量。
在第三篇也是最新的论文中，芬纳及其同事利用JWST追踪了XLSSC122的星系团内光——这是由星系团中星系间自由漂移的恒星产生的微弱辉光。
这是已知最早的星系团内光探测结果，为该星系团的故事增添了又一块拼图。
星系团内光的广泛分布特征支持了XLSSC122正在合并的观点：恒星在落入星系团强大的引力核心之前，就从碰撞的星系中被抛射出来。
该研究小组还发现，星系团内恒星际介质的中心形状与强引力透镜所揭示的暗物质聚集情况高度吻合。
如果这种模式也出现在其他星系团中，尤其是早期星系团，这就能为天文学家提供另一种定位隐藏暗物质的方法。
在这个星系团中，星系团内光本质上追踪着暗物质，芬纳说，这种光告诉我们，该星系团正处于合并状态。
人越多越热闹
如果发现更多像XLSSC122这样具有异常暗物质浓度和出乎意料的早期成熟度的天体，宇宙学家可能需要重新思考他们关于宇宙如何演化的模型中的重要部分。
芬纳说：现在仍处于詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）时代的早期，如果我们能在宇宙的这个阶段开始获取数十或数百个这类天体的数据，那么我们就能真正开始检验我们的宇宙学模型了。
参考文献：
相关知识
星系团是由星系组成的巨大天体系统，包含数十到数千个星系。
它们凭借引力聚集在一起，内部的星系类型多样，有椭圆星系、旋涡星系等。
星系团内还存在大量的高温气体和暗物质，其研究对了解宇宙结构形成和演化有着重要意义。
BY: Caltech IPAC
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
