韦伯发现先于宿主星系形成的黑洞

## 詹姆斯韦伯空间望远镜发现了一个比母星系更早形成的黑洞，科学家对其形成过程仍不确定

詹姆斯韦伯空间望远镜 + 引力透镜 - 经典的黑洞形成理论遭到挑战

超大质量黑洞的形成理论遭到挑战

“我们正在重新审视黑洞形成和发展的经典理论，这很可能是一个彻底的范式转变。

”

一张来自美国航空航天局的詹姆斯韦伯空间望远镜近红外相机拍摄的照片，显示了编号为Abell2744-QSO1的天体（被称为“小红点”），这个天体被潘多拉星系团的引力透镜效应放大，形成了三个图像。

（图片来自美国航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、本古里安大学的卢卡斯·佛多克）

“小红点”星系是早期宇宙中发现的一类具有致密、极红特征的天体（下文简称“小红点”）。

最近，科学家利用詹姆斯韦伯空间望远镜对一个古老的“小红点”星系做了观测，这一观测结果将回答一个问题：黑洞与其对应的星系哪一个最先形成？此问题的答案超出了科学家的预期，可能从根本上改变我们对黑洞形成过程的理解。

这个“小红点”星系是在2022年被詹姆斯韦伯空间望远镜观测到的，随即被天文学家发现具有未曾见过的、全新的特征。

之后的进一步研究令科学家更加好奇，因为这种星系在宇宙的婴儿期非常常见，但是在宇宙大爆炸15亿年后却很难找到。

当然，“小红点”星系也只是詹姆斯韦伯空间望远镜“抛给”科学家的宇宙谜题中的一个。

“小红点”星系的艺术渲染图，它是韦伯望远镜带给人们的新发现之一（图片来自网络）

这台造价100亿美元的空间望远镜还发现了大量的超大质量黑洞，它们诞生于宇宙大爆炸的第一个10亿年之前，其质量达到几百万到几十亿倍太阳质量。

这也是很矛盾的现象，因为之前科学家一直认为这些黑洞需要至少10亿年以上的时间，才能完成对物质的吞噬合并过程。

而对“小红点”星系的研究表明：超大质量黑洞的诞生也许并不需要先形成一颗大质量恒星，然后再花几百万年时间坍缩形成恒星级黑洞。

并且，超大质量黑洞的早期不需要从星系中吞噬大量气体和尘埃让自己尺寸增大，它们可以诞生在星系形成之前，然后让星系聚集在自己周围。

本项研究所依赖的观测仪器 - 詹姆斯韦伯空间望远镜上搭载的近红外相机（图片来自网络）

来自英国剑桥大学的团队成员罗伯特·迈奥里诺在一份声明中表示：“这是一个了不起的发现，是一个范式的转变，是对黑洞生长过程经典理论的重新考虑。

”这个科研团队的研究成果发表在5月27日的《自然》周刊上，以及英国皇家天文学会的月度公告上。

爱因斯坦的理论帮助我们观测到遥远的黑洞

在这个研究中，科学家将目光盯在编号为Abell2744-QSO1 (QSO1)的“小红点”星系上。

它的宽度有1300光年，诞生于宇宙大爆炸的7亿年后，这意味它发出的光线光临地球已经有130亿年之久。

QSO1这个星系之所以比其它小红点星系容易研究，原因在于一种名为“引力透镜”的效应。

引力透镜效应示意图（图片来自网络）

1915年爱因斯坦首次提出了这一理论：当一个大质量的天体A位于地球和另一个更加遥远的天体B之间时，就会产生引力透镜效应。

所有经过这一中间天体B的光线会被B周围的弯曲时空而弯折，并且距离天体B越近的光线发生的弯折越厉害。

因此，天体A发出的光线被弯折后，到达我们望远镜的时间是不同的，最终结果就是天体A被引力透镜效应所放大。

回到QSO1这个星系，它就是被名为Abell 2744星系团（潘多拉星系团）所放大的那个“小红点”星系。

美国国家航空航天局的詹姆斯韦伯空间望远镜上携带的近红外相机对Abell2744-QSO的照片细节（图片来自美国航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局，以及来自剑桥等多个大学的科学家）

最初，研究人员以为QSO1只是一个被氢氦气体云环绕的、具有4000万倍太阳质量的超大质量黑洞，但是科学家对其质量仍然不太确定。

剑桥大学的团队成员弗朗西斯科·罗吉尼奥表示：“之前早期宇宙的黑洞质量测量都是通过间接方法完成，我们并不确定那些假定对遥远的宇宙是否一定适用。

”

研究团队做了一番推理：如果QSO1中心的黑洞质量如最初预估的那样，那么应该可以观测到其周围环绕的气体具有一定的运动特征。

于是他们使用詹姆斯韦伯空间望远镜上携带的近红外相机对其周围气体的运动进行观测，结果发现气体绕中心运动的特征和太阳系中行星绕太阳运动的特征是一致的，具有这种特征的运动被称为“开普勒运动”。

来自剑桥大学的伊格诺斯·尤斯巴利斯是团队的共同负责人，他表示：“其重要意义在于证实了QSO1的大部分质量集中于星系中心的黑洞。

因为如果质量的分布是多颗恒星那种分散式的形态，气体的运动就不会是这种完美的开普勒运动。

”

由此，科学家首次做到了直接测量QSO1中心黑洞的质量。

迈奥里诺进一步补充：“这是一个非凡的结果。

这是对宇宙大爆炸第一个10亿年内诞生黑洞的首次直接质量测量，并且测量结果和以往的测量结果一致。

”

结果显示：这个超大质量黑洞达到太阳质量的5000万倍，构成了“小红点星系”全部质量的66%。

这是一个惊人的比例，远高于在本地宇宙中超大质量黑洞占据星系质量的比例。

超大质量黑洞的一张艺术渲染图，其周围仅有气体和尘埃（图片来自罗伯特·李）

结果表明：这个超大质量黑洞不可能诞生自坍缩的恒星，然后逐渐吞噬星系中的周边物质，而是出生时就是一个大个头，直接拥有了生成星系所需的大部分物质。

当然，围绕QSO1这个黑洞依然有很多谜团，特别是有关它的形成过程。

研究人员认为这个黑洞可能从坍缩气体尘埃云形成的一颗巨大种子中诞生，或者在宇宙大爆炸的最初时刻就通过某些尚未了解的过程直接形成了这个黑洞。

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