詹姆斯韦布空间望远镜捕捉黑洞进食惊人证据
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哈勃太空望远镜拍摄的位于半人马座星系团中心的椭圆星系NGC4696的图像。
这张图像展示了环绕星系中心的尘埃细丝。
图片来源：美国国家航空航天局、欧洲航天局哈勃、A.法比安
一个使用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的国际团队已经发现了摄影证据，这让天文学家更接近解开关于黑洞的一个长期谜团。
几十年来，天文学家一直面临着一个关于大质量星系中心的谜题：当超大质量黑洞自身强大的喷流加热了为其提供物质的周围气体时，它如何能持续吸积物质？詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的观测正让这一过程变得更加清晰可见。
这些图像为人们提供了迄今为止最清晰的视角，让我们得以观察连接星系炽热大气与旋转盘的气态细丝，而这个旋转盘会为星系中心的超大质量黑洞提供物质。
由蒙特利尔大学牵头、密歇根州立大学参与的国际合作团队开展了观测并分析了数据。
相关结果发表于《天体物理学杂志通讯》，解答了天文学家数十年来一直困扰的问题。
詹姆斯韦伯空间望远镜的观测为我们提供了数千个新的事实和测量数据，我可以说这需要大量时间去消化，密歇根州立大学物理学与天文学杰出教授梅根多纳休表示。
我们正在共同努力解决天体物理学的问题，比如这些黑洞如何获取燃料，以及它们如何与宿主星系相互作用。
黑洞喷流会产生吸积悖论
几乎每个大星系的中心都包含一个超大质量黑洞，即SMBH，其质量比太阳大数百万甚至数十亿倍。
当其中一个黑洞积极吞噬周围物质时，它就会变成天文学家所说的活动星系核，即AGN。
活跃的黑洞可以向其周围环境发射强大的能量喷流。
这些喷流可以重塑宿主星系，抑制新恒星的形成，并影响星系的演化。
一张星系NGC4696中心围绕其超大质量黑洞的特写照片。
背景灰度图像来自哈勃太空望远镜。
叠加的彩色地图显示了詹姆斯韦布太空望远镜近红外光谱仪（NIRSpec）仪器通过帕邢α线追踪到的落入黑洞的气体分布情况。
可以看到气体呈现出一个S形漩涡。
图片来源：美国国家航空航天局欧洲航天局加拿大航天局太空望远镜科学研究所J.赫拉瓦切克拉伦多等人。
但这就产生了一个明显的矛盾。
如果喷流加热黑洞周围的气体，它们最终应该会切断黑洞继续吸积和生长所需的物质。
主流解释是，部分受热气体最终会冷却，凝结成长而窄的丝状结构，并落回星系中心。
这将形成一个自我调节的循环，在这个循环中，黑洞既会扰乱自身的燃料供应，最终又会对其进行补充。
为了研究这一想法，研究人员将詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）对准了半人马座星系团的中心星系NGC4696。
这个密集的星系团距离地球约1.45亿光年，被认为是研究活动星系核（AGN）运行机制的最佳地点之一。
詹姆斯韦伯空间望远镜追踪到气体进入吸积盘
研究人员利用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的近红外光谱仪（NIRSpec）近8小时的观测数据，绘制了黑洞影响范围内深处气体的运动图。
这些观测分辨出了约30光年宽的特征——与跨度达数十万光年的星系相比，这一尺寸极其微小。
这些地图显示，中心附近的一个S形漩涡实际上是一个环绕超大质量黑洞的旋转气体盘。
这个气体盘直径近800光年，盘中物质的移动速度高达每秒600公里。
最重要的是，这个盘似乎直接与延伸至星系内部的其中一条大型丝状结构相连。
观测结果显示，气体沿着该丝状结构移动，并进入为黑洞提供物质的旋转盘。
这些观测结果共同帮助完善了更广泛的物质吸积循环。
黑洞释放的喷流将能量注入周围的气体中。
随着时间的推移，部分气体冷却、变得不稳定，并凝聚成丝状结构，这些丝状结构可能只有几百光年宽，但却能延伸数千光年。
随后，磁力会减慢下落气体的旋转速度并引导其向内移动。
物质会在黑洞周围聚集形成一个旋转盘，这个盘为黑洞提供燃料，黑洞则喷射出新的喷流，从而再次开启这一循环。
模拟实验支持了进食周期。
研究人员还利用最先进的计算机模拟对这一解释进行了验证。
模拟中的气体表现与詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）观测到的物质十分相似，为所提出的物质供给过程提供了独立的支持。
参与这个项目真的非常令人兴奋，密歇根州立大学物理与天文学教授马克沃伊特说，我们密歇根州立大学团队的计算结果预测，磁场应该会通过引导冷气体流向宇宙中最大的黑洞，从而为它们提供物质，而能在这些詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的图像中看到这一现象正在发生，实在是太惊人了。
资助方：加拿大空间局
相关知识
詹姆斯韦布空间望远镜是由美国国家航空航天局、欧洲空间局和加拿大空间局联合研制的红外太空望远镜，2021年12月发射升空，运行在日地拉格朗日L2点。
它旨在观测宇宙早期形成的星系，研究恒星与行星系统的诞生过程，探索系外行星大气特征等，帮助人类更深入了解宇宙的起源与演化。
BY: Michigan State University
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
