星系或在模拟天文学家寻找的暗物质信号
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大多数星系可能被称为恒星流的环绕恒星长丝所包围。
在华盛顿大学的一项研究中，天文学家模拟了恒星流——此处被描绘为多彩条纹——围绕虚拟宿主星系运行的过程，以测试关于暗物质如何影响恒星流形状的主流理论。
研究结果可能帮助研究人员区分暗物质的真实证据与误报。
图片来源：斯特凡佩恩沃德纳
星系能够产生许多与天文学家视为暗物质可能迹象的相同恒星流扭曲。
长期以来，天文学家一直希望银河系周围的长条状恒星带中的缝隙、弯曲和其他扭曲现象能够揭示暗物质的隐秘影响。
但新的模拟结果表明，其中许多特征可能源于星系本身，即使没有那些被认为会产生这些特征的小型暗物质团块存在也是如此。
华盛顿大学的研究人员在四个银河系大小的星系中对大约15000条被称为恒星流的带状结构进行了建模。
这些模拟忽略了被称为亚晕的小型暗物质团块。
经过50亿年的模拟时间后，几乎每条恒星流都出现了不规则现象，只有70条保持完全平滑。
在我们的模拟中，仅宿主星系就造成了我们在真实恒星流中观察到的同类不规则现象，该研究的第一作者、华盛顿大学天文学博士后学者ArpitArora表示。
既然我们能够预测宿主星系自身的行为，我们就可以开始分离暗物质所起的作用部分。
这项研究发表在《天体物理学杂志》上。
仅靠星系就能扰乱恒星流
这些扭曲源于星系本身的结构。
恒星在每个模拟星系盘中的分布略有不均，形成了与真实星系中类似的密度高低区域。
当恒星流穿过密度较高的区域时，不均匀的引力场会对它们产生弯曲和撕裂作用。
阿罗拉原本预计星系会产生一些不规则现象，但没想到会有这么多。
我们发现，几乎所有的溪流都存在某种结构上的差异，阿罗拉说，所以，溪流天然细而平滑的这种观点并不一定正确。
这些模拟产生了波纹、扭结、尖刺、分支、空隙和团块。
一些星流被其宿主星系的引力扰动完全撕裂。
那些离星系核心更近的轨道上的星流更频繁地遇到密集的团块区域，并且产生更多不规则现象。
流的不规则性可能有另一个来源
这一结果使利用恒星流研究暗物质的努力变得复杂，暗物质是一种理论上的物质，除了通过引力外，它不与光或普通物质相互作用。
暗物质构成了宇宙中大部分质量，是星系生长所依赖的骨架，但我们仍然不知道它是什么，该研究的合著者、华盛顿大学天文学助理教授诺拉希普说。
银河系是我们研究这个问题的最佳实验室之一，而恒星流是其中最敏锐的工具之一。
一组虚拟恒星流展示了模拟所产生的各种弯曲、扭动、弯折和空隙。
在大约15000条恒星流中，只有70条没有明显特征。
图片来源：阿罗拉等人《天体物理学杂志》
银河系中的大多数恒星都位于一个相对扁平的平面上，而恒星流则沿着不同的路径环绕星系运行。
当一群恒星与一个星系相撞并被其引力捕获时，就会形成恒星流。
在这些恒星环绕运行时，星系会将星团拉伸成一条细长的丝状物。
大多数星系都有恒星流，不过银河系周围的恒星流对天文学家来说是最容易观测到的。
我们星系中的许多恒星流存在间隙和扭曲。
天文学家提出，其中一些特征可能是与暗物质子晕相互作用的结果。
倘若如此，这些扭曲现象能够提供有关暗物质组成的信息。
新的模拟结果表明，天文学家必须首先考虑由主星系自身产生的类似特征。
暗物质的指纹仍有待分离
阿罗拉现在计划在未来的模拟中加入暗物质团块，并测试它们是否会形成与仅由星系本身造成的模式不同的模式。
新的观测结果可能有助于做出这一区分。
美国国家科学基金会（NSF）与美国能源部（DOE）合作建设的维拉C鲁宾天文台的西蒙尼巡天望远镜有望在银河系中发现更多的恒星流。
这些观测结果可能有助于天文学家对恒星流特征进行分类，并寻找能够更可靠地与暗物质联系起来的特征信号。
遗憾的是，没有魔法棒能揭示暗物质的结构，华盛顿大学天文学研究助理教授詹姆斯达文波特说。
星流是复杂的系统，但它们仍然是研究邻近暗物质最有趣的方式。
这项研究由戈登和贝蒂摩尔基金会资助。
相关知识
暗物质是一种假设的物质，无法直接观测到。
它不与光等电磁辐射发生相互作用，但通过引力效应被间接发现。
科学家推测，暗物质在宇宙中大量存在，约占宇宙物质总质量的85%，对星系形成和宇宙结构演化起着关键作用。
BY: William Poor, University of Washington
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
