科学家观测早期宇宙小红点发现异常黑洞
## 一位科学家观察了早期宇宙中的小红点，发现了一个本不应存在的黑洞。
小红点之谜愈发神秘，一个隐藏着超大质量黑洞的星系暗示着可能存在一大群像化身博士般的宇宙天体。
维尔吉尔星系，如詹姆斯韦伯太空望远镜所见。
来源：ESAWebb、NASA&CSA、G.Östlin、P.G.PerezGonzalez、J.Melinder、JADES合作团队、M.Zamani(ESAWebb)
早期宇宙中发生了一些奇怪的事情。
詹姆斯韦布空间望远镜深入观测宇宙，仿佛回溯时间，揭示了大爆炸后早期宇宙的景象。
它发现了众多天文学家称之为小红点（LRDs）的天体。
这些是在詹姆斯韦布空间望远镜数据中出现的致密红点，观测表明它们在宇宙早期、大爆炸后最初约二十亿年内十分常见。
但我们还不清楚它们究竟是什么。
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版权：欧洲航天局哈勃太空望远镜及美国国家航空航天局，大质量强引力透镜巡天重探项目
最初，天文学家认为这些小红点可能是巨大的星系。
这对标准宇宙学理论造成了难题：如此巨大的天体为何能在宇宙历史的早期就已存在？
皮尔路易吉里纳尔迪是空间望远镜科学研究所的一名博士后研究员，主要从事黑洞形成及早期宇宙中星系的研究。
我们和他交谈，以进一步了解这些小红点可能是什么。
关于小红点我们了解什么？
研究人员开始发现，小红点具有非常典型的强特征发射信号，这是活动星系核（AGN）的典型特征，活动星系核是指中心存在超大质量黑洞的天体。
当我们观测来自星系的光时，可以将其分解成光谱，这是一种宇宙指纹，能揭示该星系的恒星和气体的信息，比如它们的成分以及物质的运动方式。
在活动星系核（AGN）中，一些光谱线是宽的，这告诉我们气体正在围绕黑洞旋转。
我们在小红点中观察到了这些宽谱线，这暗示着许多小红点可能包含这些巨大的活跃黑洞。
由詹姆斯韦伯太空望远镜观测到的小红点（LRDs）。
图片来源：美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、太空望远镜科学研究所（STScI）、戴尔科切夫斯基（科尔比学院）
什么是维吉尔星系？
我和另一个早期宇宙天体刻耳柏洛斯（Cerberus）一同发现了维吉尔（Virgil），所以我以《神曲》（TheDivineComedy）为灵感将它命名为维吉尔。
如果你观察我们在不同波长下从室女座星系（
但一旦加入中红外波段，维吉尔便彻底改变其特性，宛如化身杰基尔与海德。
在观察中红外光线时，似乎维吉尔星系中存在一个巨大的活跃黑洞。
是什么让维吉尔黑洞如此不同寻常？
首先，在紫外线和可见光波长范围内没有黑洞的迹象，这十分不寻常。
维吉尔的活动星系核（AGN）质量也大得惊人。
像这样的黑洞在星系中犹如黑暗的幕后操纵者，掌控着星系的演化进程。
为了使我们目前的宇宙学模型发挥作用，我们必须解释在宇宙历史如此早期，这样一个超大质量黑洞是如何形成的。
维吉尔星系，由詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄（插图），背景是哈勃太空望远镜的极深场。
：ESAWebb、NASA和CSA，G.Östlin、P.G.PerezGonzalez、J.Melinder、JADES合作组、M.Zamani（ESAWebb）
是什么导致了这些超大质量黑洞的产生呢？
我们距离理解这些早期黑洞是如何形成的还相差甚远，许多人认为我们可能遗漏了宇宙谜题中重要的一环。
一种观点涉及到一类被称为黑洞星或准星的假设天体。
在这张图片中，我们在邻近宇宙中常用的一些估算黑洞质量的方法，可能并不适用于高红移处的小红点，从而导致估算出的质量显得异常巨大。
那该如何运作呢？
在类星体设想中，小红点被设想成嵌入在极其致密的气体茧中的黑洞。
黑洞附近产生的辐射可能会被困在这个包层内，在逃逸之前会发生多次散射。
这一过程可能改变所观测到的辐射光的外观以及谱线的形状，从而导致标准方法高估黑洞的真实质量。
这个观点仍停留在推测阶段，但如果正确的话，它将极大地改变我们对早期宇宙中黑洞如何形成的看法。
棒旋星系UGC6093是一个活跃星系，这意味着它有一个活跃的星系核。
物质被拖向中央超大质量黑洞，升温并使星系核心明亮发光。
图片来源：欧洲空间局哈勃太空望远镜
你们团队接下来有什么计划？
我们可以通过在中红外波段获取更深入的观测数据来更好地了解维吉尔，或者——这要困难得多——通过在大天区范围内开展中红外巡天来搜寻与其性质相似的天体。
JWST的中红外仪器（MIRI）灵敏度低于其其他仪器，因此这些观测耗时较长，而JWST的观测时间是有限的。
这涉及到一个重要的方面。
经过四年时间，詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）取得了卓越的成果，但宇宙中有一个隐藏的部分，我们只能通过中红外观测才能触及。
拥有这些数据极其重要，不仅有助于研究小红点，还有助于描绘早期宇宙的特征。
这次访谈刊登在《BBC夜空杂志》2026年3月刊上。
若改成非时效性内容可为：这次访谈刊登在《BBC夜空杂志》的某一期上。
BY: Anita Chandran
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
