黑洞风力比天文学家想象的强大百倍
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概念图展示了由隐藏在星系中心的超大质量黑洞驱动的一次爆发，其能量向外传播，超越星系，抵达周围的星系群环境。
该图描绘了巨量能量——相当于数十亿次超新星爆发——被输送到周围空间，驱动炽热气体剧烈运动，这些炽热气体延伸至约30万光年远的地方。
图片来源：东北大学
天文学家曾经认为，超大质量黑洞产生的风只对其所在星系有影响，但最近一项研究发现，这些风的能量还能波及周围的星系。
来自超大质量黑洞的喷流能够将能量输送至其宿主星系之外。
新观测表明，这种影响范围可延伸约30万光年，所携带的能量约为此前估计的100倍，这打破了以往认为此类喷流主要局限于宿主星系内的观点。
黑洞主要以吞噬物质而闻名，但它们也会以强大风的形式喷射气体，日本东北大学综合科学前沿研究中心（FRIS）的助理教授山田聪表示，这些风曾被认为局限于星系内部，但我们的研究表明，其力量比之前认为的要强大得多。
XRISM对一个星系之外的风进行了追踪
这个快速增长的黑洞位于一个星系团的中心，并搅动着周围炽热的、会发射X射线的气体。
为了测量这些气体的运动情况，研究人员分析了铁离子产生的发射谱线。
湍流携带的能量要多得多
XRISM的高精度测量表明，黑洞周围的高温气体远非静止状态。
相反，湍流将气体剧烈地扩散到广阔区域，其流动范围甚至超出宿主星系，延伸至约30万光年之外。
宇宙层级结构示意图，从星系群（星系的集合）到单个星系，再到其中心的超大质量黑洞。
尽管黑洞的大小比其所在星系的半径小一亿多倍，但它在星系的中心区域起着至关重要的作用。
图片来源：东北大学
这种湍流所携带的能量约为早期估算值的100倍，其能量规模相当于数十亿次超新星爆发——即恒星生命终结时发生的剧烈爆炸。
山田补充道：我们首次证明，黑洞通过具有惊人能量的冲击波对更广阔的宇宙环境产生影响。
黑洞是太空中气体流动和运动的关键驱动力，能将大量能量输送到宇宙的不同区域。
未来的观测有望让人们更清楚地了解黑洞如何影响其更广泛的周围环境，以及物质和元素如何在整个宇宙中循环。
相关知识
黑洞是宇宙中引力极其强大的天体。
它的引力大到连光都无法逃脱。
当大质量恒星走到生命末期，发生塌缩后就可能形成黑洞。
在其周围有一个事件视界，越过这个边界就进入了黑洞不可返回区域，目前科学家通过观测其对周围物质和天体的影响来研究它。
BY: Tohoku 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
