JWST发现早期宇宙不该如此成熟的星系团
##
詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的观测显示，XLSSC122在100多亿年前就已异常巨大且中心高度集中，这让星系团增长的标准模型难以解释。
图片来源：加州理工学院IPAC
NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜的新观测结果加深了早期宇宙中一个年轻但出乎意料成熟的星系团的谜团，该星系团对关于宇宙演化的主流观点提出了挑战。
一个异常致密且质量巨大的星系团形成于这类结构本不该如此成熟的时期，这对当前的宇宙演化理论提出了挑战。
在最近的三篇论文中，由加州理工学院天体物理与行星科学数据中心IPAC的科学家领导的团队证明，该星系团是已知的由星系团产生强引力透镜效应的最遥远例子。
这些基于美国国家航空航天局詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）观测结果的发现，是在美国天文学会的一次会议上公布的。
天文学家们首次观测到名为XLSSC122的星系团时，就意识到它不同寻常。
尽管该星系团位于超过100亿光年之外，处于其他星系群才刚刚开始聚集的时期，但这个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）无与伦比的集光能力和分辨精细细节的能力如今揭示出，XLSSC122恰好与一个或多个更远的星系排成一线。
由于这种巧合的排列，该星系团强大的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，即强引力透镜效应。
这种效应让科学家能够对XLSSC122的质量进行新的精确测量。
IPAC的工作人员科学家、研究该星系团的首篇论文的第一作者凯尔芬纳表示：当我们从JWST收到第一批图像时，我们说，‘哇，看这个，这个星系团产生了强引力透镜效应’XLSSC122现在创下了显示强引力透镜效应的最遥远星系团的纪录，而强引力透镜是天文学家的宝贵工具。
这幅双面板图像展示了一个遥远的星系团，它是由美国国家航空航天局的哈勃空间望远镜和詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）观测到的。
星系团XLSSC122距离我们超过100亿光年，是已知的距离最远的星系团例子，它被发现是一个强引力透镜，能够放大并扭曲位于其后方更远星系的图像。
图源：罗伯特赫特（加州理工学院美国国家航空航天局红外处理与分析中心科学可视化实验室）
这种幸运的引力透镜对齐让天文学家迄今为止对早期星系团内部的质量分布有了最详细的了解，这些星系团来自被称为宇宙正午的时代，大约100亿年前。
在那个关键时期，随着宇宙达到恒星形成的峰值速率，星系团开始大量形成，恒星形成速度比今天快100倍。
XLSSC122持续打破预期。
它的质量极其紧密地集中在星团中心。
在宇宙历史早期发现如此密集的结构，很难与标准宇宙学模型相协调，这些模型预测大质量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系团之一，其质量集中度与我们的宇宙学模型预测不相符。
在发现强引力透镜现象后，芬纳及其同事发表了另外两篇论文，第一篇由延世大学的扎卡里斯科菲尔德和朱亨镇牵头，利用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）研究XLSSC122的其他特征。
这些研究结果共同使XLSSC122成为宇宙正午时期星系团形成的关键范例。
在黑暗中看东西；在黑暗中视物
XLSSC122最初是通过欧洲空间局的XMM牛顿航天器的X射线巡天发现的。
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，以及其出乎意料的成熟结构。
哈勃望远镜的数据并未清晰显示出强引力透镜的证据，而强引力透镜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弧形光线。
因此，用詹姆斯韦布空间望远镜观测到这些弧形光线是一个重要的意外发现。
在詹姆斯韦布空间望远镜之前，我们无法在早期遥远的宇宙中开展这种水平的科学研究，芬纳说道。
在XLSSC122中，包括明亮恒星和发光气体在内的可见物质，对强引力透镜效应的贡献仅占一小部分。
该效应的大部分来自暗物质，这是一种无形且仍未被充分了解的物质，它有引力，但不会产生直接可探测的信号。
目前的估计表明，暗物质的重量大约是构成恒星、行星和人类等普通物质的五倍。
这张图像展示了遥远的星系团XLSSC122，它由美国国家航空航天局的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）观测到。
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弧线，围绕着中心星系的模糊边界延伸，尤其在右下方更为明显。
图片来源：罗伯特赫特（加州理工学院IPACSELab）
暗物质在宇宙学中处于核心地位，因为它有助于维系星系的聚合，并塑造宇宙的大尺度结构——星系在这种结构里聚集成群，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的检验。
强引力透镜效应是一种无需直接观测暗物质就能对其进行测量的方法，芬纳说，它为我们提供了一种探测宇宙学模型的灵敏手段。
星系团的全景图
在他们的第二篇论文中，芬纳及其同事研究了一种更微妙的引力透镜形式，即弱透镜效应。
强透镜效应在视觉上很明显，但弱透镜效应会导致星系形状发生小得多的扭曲。
这些微小的效应只能通过统计分析来检测。
强引力透镜使该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区域的质量，包括更广阔的星系团环境及其外围星系成员。
弱引力透镜可以在更远的地方约束质量，因此你能更好地了解星系团周围的区域，芬纳说。
这种更全面的观测视角，结合其他几台望远镜的X射线和无线电波观测数据，表明XLSSC122仍在合并过程中，其内部星系持续聚集。
第二项研究也支持了第一项研究的结论，即XLSSC122拥有一个非常庞大且集中在中心的质量。
第三篇也是最新的一篇论文中，芬纳及其同事利用詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）追踪了XLSSC122的星系团内光——这是一种由在星系团中星系间自由漂移的恒星产生的微弱光芒。
这是已知最早的星系团内光探测结果，为该星系团的演化历程增添了新的线索。
星系团内光的广泛分布特征支持了XLSSC122正在合并的观点：恒星在尚未沉降到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。
该团队还发现，星系团内光的中心形状与强引力透镜效应揭示的暗物质浓度密切匹配。
如果这种模式在其他星系团（尤其是早期星系团）中出现，它可能会为天文学家提供另一种定位隐藏暗物质的方法。
在这个星团中，星团内的光本质上追踪着暗物质，芬纳说，这种光告诉我们，这个星团正处于合并状态。
人越多，越快乐。
詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）并非旨在发现大量此类罕见天体，因为它特意观测天空中狭窄的目标区域。
相反，天文学家需要像发现XLSSC122那样的X射线广域巡天，以及射电望远镜巡天来确定有潜力的候选天体。
另一种特别有用的方法是苏尼亚耶夫泽尔多维奇效应，在对宇宙微波背景（宇宙大爆炸的余晖）的观测中，可能会出现明显的空洞。
当那古老的光线被星系团中的高能粒子散射时，就会形成这些空洞，从而揭示星系团的位置。
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：詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）时代仍处于早期阶段，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。
参考资料；参考文献；引用文献；参考书目
相关知识
星系团是由数百至数千个星系通过引力相互束缚形成的巨大天体系统，尺度可达数百万光年。
它包含可见星系、大量暗物质及高温气体，是宇宙中最大的引力束缚结构之一，典型例子如室女座星系团，是研究宇宙结构与演化的重要对象。
BY: Caltech IPAC
FY: AI
如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除
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
