宇宙探索·宇宙尘埃的红外辉光与星系形成史积分
宇宙探索·宇宙红外背景辐射：宇宙尘埃的红外辉光与星系形成史积分
当我们仰望夜空，看到的可见光只是宇宙辐射的一小部分。
在红外波段（波长1-1000微米），弥漫着一种极其微弱但无处不在的背景辐射——宇宙红外背景辐射（Cosmic Infrared Background, CIB）。
它是全宇宙中所有星系的星光被尘埃吸收后重新辐射的积分信号，相当于宇宙138亿年星系形成和恒星形成历史的总账单。
CIB不仅记录了宇宙中恒星形成的累积历史，还隐藏着第一代星系和暗物质的珍贵信息。
CIB的物理起源
宇宙中的尘埃颗粒（尺寸0.001-0.1毫米）由碳、硅、氧等重元素组成，主要产生于AGB恒星和超新星爆发。
这些尘埃颗粒吸收紫外/光学星光（效率约30-50%），并以黑体辐射形式在远红外（FIR，波长30-300微米）重新辐射。
因此，CIB本质上是全宇宙尘埃的"热辉光"——温度约20-30K的冷尘埃主导了波长100-500微米的背景，而温度更高（40-60K）的暖尘埃则贡献较短波长（30-100微米）。
COBE/FIRAS与DIRBE：CIB的首次探测
宇宙红外背景辐射的首次确定性探测来自NASA的COBE卫星（宇宙背景探测者）。
1990年代，COBE/DIRBE（漫射红外背景实验）在波长1.25-240微米测量了全天红外背景，发现存在显著的"宇宙红外背景各向同性成分"——在扣除太阳系黄道尘和银河系前景后，剩余信号正是CIB。
COBE/FIRAS（远红外绝对分光光度计）则在波长100-1000微米提供了CIB的绝对流量约束，确认其总能量密度约为CMB的10%。
更令人惊讶的是CIB的"光谱形状"：在波长约100-200微米处达到峰值，对应于温度约20K的黑体辐射——这正是冷尘埃的典型温度。
这意味着宇宙中的大部分尘埃处于相对较低的温度，暗示恒星形成过程在早期宇宙中可能比今天更"温和"（或者被尘埃遮蔽得更严重）。
JWST的近红外观测进一步证实，z>6的星系尘埃温度确实比近邻星系低5-10K。
CIB的涨落：揭示暗星系和第一代恒星
CIB最迷人的特性之一是其"涨落统计"——全天CIB强度的微小变化（涨落）携带着暗星系（太暗无法单独探测）和第一代恒星（星族III）的信息。
2000年代，Spitzer太空望远镜在波长3-8微米发现CIB涨落的功率谱"异常陡峭"——在小角尺度（<1角秒）上功率远超已知星系的预测。
这被称为"CIB涨落异常"，至今仍是未解之谜。
一种解释是，这些涨落来自红移z>10的极早期星系——它们的Lyman-α发射线被宇宙红移移到近红外波段，叠加起来产生了额外的涨落信号。
JWST在2023-2024年的深场观测（如JWST Extragalactic Medium-band Survey, JEMS）确实在z≈10-16发现了大量比以前预期更亮的星系，这为"CIB涨落异常"提供了一种可能的解释：极早期星系的数量确实比ΛCDM模型预测的更多。
CIB与暗物质的关联
CIB的空间分布与宇宙微波背景辐射（CMB）的涨落高度相关——因为CMB涨落反映了暗物质密度的初始涨落，而星系（及其尘埃）沿着暗物质纤维结构形成。
Planck卫星通过交叉相关CIB和CMB的涨落，精确测量了CIB的偏差因子（bias factor），发现CIB主要来源于质量约10¹¹-10¹²太阳质量的暗物质晕——这正是银河系质量尺度的星系。
JWST与CIB：直接探测极早期尘埃
JWST的中红外仪器（MIRI）正在革命性地推进CIB研究。
MIRI可以在波长5-28微米探测高红移星系的远红外辐射（被红移到中红外），直接测量它们的尘埃质量和温度。
2024年，JWST/MIRI对北天哈勃深场的观测发现，z≈7-9的星系中已经含有大量尘埃（尘埃质量达10⁷-10⁸太阳质量）——这意味着在宇宙年龄<10亿年时，金属增丰和尘埃形成已经高效进行。
更令人震惊的是，JWST在z≈12-16的候选星系中也探测到了可能的尘埃发射特征。
如果这些探测被确认，意味着宇宙在第一代恒星死亡后极短时间（<2亿年）内就形成了尘埃——这要求第一代恒星的质量极高（>100太阳质量），以便通过超新星快速产生金属和尘埃。
这对星族III恒星的初始质量函数提出了强烈约束。
CIB的未来：Origins太空望远镜与SPICA
NASA的下一代_origin太空望远镜（2027年提交最终概念报告，预计2030年代末发射）将以前所未有的灵敏度测绘CIB的光谱和空间分布。
Origins的中红外仪器（OIRI）将在波长25-588微米提供CIB的超高分辨率光谱，直接探测尘埃的温度、质量和化学成分演化。
同时，欧空局和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）合作的SPICA（SPace Infrared-telescope for Cosmology and Astrophysics）任务（预计2030年代发射）将专门设计用于探测CIB中来自极早期星系的微弱信号。
SPICA的远红外光谱仪将测量CIB中来自[O III]88微米、[C II]158微米等冷却线的发射，这些线是恒星形成率的黄金探针。
CIB是人类能够接触到的宇宙最完整的"考古记录"——它不依赖于任何单个星系的可探测性，而是全宇宙所有星系的累积信号。
从COBE的首次探测到JWST的深场突破，再到Origins和SPICA的未来展望，CIB研究正在将宇宙红外背景从"背景噪声"转变为"背景信号"——从中我们可以读出宇宙138亿年恒星形成和金属增丰的完整历史。
COBE/DIRBE Detection of the Cosmic Infrared Background — Fixsen et al. 1998, ApJ CIB Fluctuation Anomaly: Spitzer Evidence for z>10 Galaxies — arXiv 2012 JWST/MIRI Detection of Dust in z≈7-9 Galaxies — Nature 2024 NASA Origins Space Telescope: CIB Science Goals — ESA/NASA 2024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
