科学家探测早期超大质量黑洞形成环境

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对银河系中心黑洞周围事件视界的艺术想象图。

版权：M.莫斯奇布罗德茨卡T.布龙茨瓦尔H.法尔克拉德堡德大学

当詹姆斯韦布空间望远镜将其强大的仪器对准早期宇宙时，科学家们被它发现的景象所惊讶。

在高红移（z）值区域，对应于大爆炸后不到十亿年的时间，天文学家观察到大量星系中似乎存在超大质量黑洞（SMBH）的种子。

这些巨大黑洞在宇宙早期的存在挑战了现有的黑洞形成模型，在该模型中，恒星在其生命末期坍缩形成黑洞，这些黑洞逐渐聚集形成超大质量黑洞。

这促使天文学家考虑另一种途径，即早期星系中心的大量冷气体云聚集并坍缩形成黑洞——这就是所谓的直接坍缩黑洞（DCBH）假说。

然而，关于这些直接坍缩黑洞形成的环境，仍有许多问题尚未得到解答。

为了研究这一问题，一个国际天文学家团队探讨了暗物质合并以及充满大量气体、尘埃和恒星的空间区域（宇宙高密度区）为何是超大质量黑洞种子形成的有利环境。

这项研究由爱丁堡大学天文学研究所和皇家天文台的博士后研究员亚历山德罗特林卡（AlessandroTrinca）牵头。

参与研究的还有来自科莫湖天体物理学中心、意大利国家天体物理研究所罗马天文台、意大利国家天体物理研究所博洛尼亚天体物理与空间科学天文台、奥地利科技学院（ISTA）、天体物理研究所、罗马大学高级研究学院以及多所大学的研究人员。

描述他们研究工作的论文发表在《皇家天文学会月刊》（MNRAS）上。

小红点是近期由美国国家航空航天局詹姆斯韦布空间望远镜观测到的极其致密的天体。

团队工作的核心是暗物质（DM）并合树的概念。

在冷暗物质宇宙学常数（ΛCDM）宇宙学模型中，理论认为暗物质晕是通过较小的团块合并形成的。

这与早期超大质量黑洞（SMBH）形成理论类似，该理论认为超大质量黑洞是通过较小的恒星级和中等质量黑洞的合并形成的。

研究团队将这些并合树的高分辨率N体模拟与一个关于黑洞形成和星系共同演化的半解析模型相结合。

使用基于GIZMO粒子算法的宇宙学放大软件模拟了晕的并合历史。

随后，使用宇宙考古工具（CAT）对所有前体晕中的重子（即可见物质）成分进行了模拟。

CAT是一种半解析模型，用于解释观测到的高红移源的性质，并根据观测结果测试不同的黑洞演化情景。

正如该团队所写：

这使我们能够追踪在宇宙演化过程中，具备形成原初大质量黑洞能力的暗物质晕的丰度、空间分布及其所处的环境条件，探讨这些趋势如何依赖于重种子形成的特定物理要求。

在此基础上，我们重点预测了预期位于高红移类星体附近的原初大质量黑洞后代群体的观测特征，其对应宇宙时约为129亿年前。

研究结果显示，巨大的黑洞种子早在136.4亿年前（即宇宙大爆炸后不到5亿年）就可能通过直接坍缩形成。

这种形成过程会一直持续到大约135亿至134亿年前，那时，由最早的第三星族恒星超新星爆发导致的星系际介质（IGM）金属富集，会抑制进一步的直接坍缩事件。

这些结果支持了直接坍缩黑洞（DCBH）假说，并为未来的詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）观测提供了机会。

正如该团队得出的结论：

BY: Matthew Williams

FY: AI

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中国科学家为量子互联网研制100通道单光子探测器

中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的研究人员研制出一款100通道单光子探测器，为中国发展宽带量子网络打开了大门。

用这款探测器测试的原型网络显示出超过90%的通信保真度。

随着量子计算和传感技术的进步，很快将需要量子信息网络。

尽管人们正在为这种网络测试不同方案，但一种与现有光纤网络非常相似的方案很可能因其易于过渡而被采用。

单光子探测器（SPD）是此类网络的关键组件，因为它们有助于测量光子（即单个光粒子），而光子可用于存储量子信息。

SPD可帮助部署用于量子数据传输的光纤或空间链路，同时还能通过将量子态转移到光子来帮助实现量子纠缠或量子隐形传态。

使用SPD的挑战 为了让量子技术演进和规模化，我们还需要开发容量更高的SPD。

目前，用于量子研究的SPD主要有两种。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是高端光电器件，探测精度极高，但运行需要超低温。

另一方面，单光子雪崩二极管（SPAD）可在室温下工作，但精度不高。

因此，SNSPD更受青睐。

然而，SNSPD的超低温要求带来了其他挑战。

为了读出信号，SNSPD要连接到保持在室温的仪器上。

这是通过相对较粗且由导热金属制成的同轴电缆实现的。

这些电缆使室温热量进入SNSPD工作的低温腔；这被称为热负载。

随着SNSPD内探测通道数量增加，读出信号所需电缆数量也增加，进而增加热负载。

对此的变通方案一直是将探测器数量限制在32个，这是单光子探测器领域的标准。

100通道SPD 为克服这一点，SIMIT的研究人员对SNSPD进行了全面重新设计，用称为高密度多芯微带线的特殊柔性材料取代同轴电缆。

这些线不仅超薄，而且隔热，因此传回低温腔的热量极少。

据SIMIT团队称，进入系统的热量是传统电缆的二十一分之一。

这使他们能够为SPD增加更多独立通道，同时保持长期稳定性，且不会显著增大SPD尺寸。

为测试其设计，研究人员让SPD连续七天全天候运行，低温腔温度仍保持在2.1K以下，非常接近0K（-273.15摄氏度）的绝对零度。

研究人员在一篇论文中指出，测试期间，各通道探测效率达到80%，同时误报率极低。

为了更贴近真实场景进行比较，团队构建了一个包含5个用户、10条双向量子链路的量子纠缠分发网络。

论文补充说，每个用户使用SPD新开发的通道接收光子，通信保真度（即量子信息的保持程度）超过90%。

研究成果发表在《激光与光子学评论》期刊上。

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