北京天文馆科研人员探索宇宙早期Lyman-α星系取得重要进展
人们对宇宙深处充满着好奇，探索宇宙早期的天体，是当下观测天文学的前沿研究焦点之一，亦是当前国际上充满了新发现新谜团的科普热点。
近日，北京天文馆助理研究员宁远航博士与清华大学蔡峥副教授、北京大学江林华教授等合作，借助地面的麦哲伦望远镜（M2FS光谱仪）与詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST/NIRCam近红外相机）的联合观测，进一步分析了宇宙再电离末期明亮Lyman-α（Lyα）发射体星系的多方面性质。
研究揭示，这些Lyα发射体是极端的年轻矮星系系统，剧烈的星暴活动和极高的Lyα光子逃逸率共同导致了其明亮的Lyα辐射。
相关成果已发表于天文学国际顶级期刊《天体物理学期刊快讯》（The Astrophysical Journal Letters）。
宇宙再电离是宇宙演化史中最重要的物态转变阶段之一，该过程的末期对应着宇宙学红移6左右，即距现在大约130亿年（如果将宇宙年龄归一化到百岁的人类寿命，那这个时期就是幼儿阶段）。
对高红移星系的研究，就像在同时阅读星系演化的“传记”和宇宙大尺度结构的“编年史”。
此项研究详细分析了红移6左右的14个明亮的Lyα发射体星系，该样本通过麦哲伦望远镜的M2FS光谱仪证认。
此前基于传统设备观测的测光数据存在显著简并，即星云发射线与Balmer断裂在宽带颜色上难以区分；为突破这一瓶颈，该研究特别利用了JWST/NIRCam的F410M中波段图像，躲开了强发射线的污染，有效限制了恒星连续谱，并结合一系列宽波段数据进行了可靠的能谱分布模拟分析。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |1} 本研究的样本中两个源在JWST/NIRCam一系列波段的图像，其中F410M中带图像有效限制了星系的恒星连续谱。
研究发现，这些星系是具有剧烈星暴活动的年轻矮星系，其中有一半的恒星质量不足一亿倍太阳质量，其年龄也不到一千万年，且内部尘埃含量极低。
它们的Lyα光子逃逸率普遍很高，其中位数更是高达40%，远超该红移处其他的星系，并且Lyα逃逸率与紫外斜率呈强烈反相关。
通过分析Lyα辐射与星系的空间偏移，研究进一步指出Lyα辐射转移结果主要受内部尘埃影响。
这些发现也表明，这类星系是电离末期高效的电离引擎。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |2} 产星速率vs.恒星质量关系图：金色图标代表该工作使用的样本，其他类型图标来自前人工作，洋红虚线代表高红移星暴星系的幂律关系；结果显示该样本几乎都具有星暴活动，其中近半数的星暴活动更加剧烈。
（北京天文馆）
来源：北京号
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
