据国外媒体报道,纽约大学的研究人员通过模拟早期宇宙中太初黑洞在穿过一颗恒星时,所产生的各种时空效应,从而对暗物质的组成进行理论上的假设。

图2中形象地显示了当一个太初黑洞在穿过一颗恒星核心区域的过程中,所产生的振动波的情形。
不同的颜色的区域对应太初黑洞的密度分布以及其所产生振动效应的强弱程度。
在银河系中大约存在着千亿颗恒星,如此大的样本前提下,家认为可观察到相当数量的该现象。
相关的研究结果已经发表在本月初的《物理评论快报》期刊上。
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黑洞被认为是宇宙中最神秘的天体之一
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研究人员模拟太初黑洞穿过恒星中央核结构的示意图
这项新的研究是通过观察发生于恒星表面的波状涟漪,来间接发现惊人难以捉摸的暗物质存在证据。
根据参与该项研究的科学家称:当我们在实验模型中设定一个太初黑洞穿过一颗恒星的中央核结构时,其所产生的振动就可以反映出关于暗物质的信息。

这些振动不仅携带了暗物质的信息,同时也会在恒星表面上发生涟漪效应,观察发生于恒星表面的异常活动正式本项研究的关键之处。
暗物质对于宇宙学家而言,被认为是构成了宇宙中超过80%的物质,而且至今在天体物理学界从未直接探测到暗物质的存在。
我们对暗物质进行研究,这个过程中所得出的任何结果都使我们对宇宙早期物质的了解产生深远的影响。
在寻找暗物质的发现历程中,宇宙学家认为:我们目前所看到的宇宙,即能被人类通过各种手段观测到物质,比如星系、恒星、星团等等仅仅是宇宙中总物质含量的4%,其也被科学家称为"宇宙中正常的物质",而剩下的即是所谓的"不正常亦或不寻常的物质",这些奇怪的物质就是与宇宙暗能量和暗物质存在重大关系。
虽然暗物质被认为是宇宙的主宰,在一定程度上说,其是统治着整个宇宙,我们所能看见的宇宙中的物质仅仅是沧海一粟。
但是,探测暗物质并不是通过正常的观测手段,由于暗物质不与电磁力发生相互作用,所以用传统的电磁波天文观测无法发现其存在,只能间接地通过引力效应来推断其存在。
研究人员认为:这项新的研究可以帮助科学家更好地了解暗物质到底是什么,我们已经知道其统治着宇宙,却还不知道它到底是什么。
科学家通过模拟在早期宇宙中出现的太初黑洞穿过一颗恒星时,研究这个过程终究会发生什么情况。
太初黑洞在宇宙学中被认为存在于大爆炸发生后密度较高的时期,也就是处于宇宙加速膨胀的早期阶段。
我们目前知道,今天的宇宙诞生于137亿年之前的一次大爆炸。
因此,暗物质是如何产生的,以及在宇宙演化过程中哪个阶段出现的,都是科学家需要了解的问题。
参与本次实验的研究人员认为:对于实验中出现结果还有待于进一步的观察,这些奇怪的宇宙结构可能是暗物质的来源之一。

由于太初黑洞比目前宇宙恐怖的黑洞要小很多,其体积甚至比原子核还要小,因此不会将整个恒星吞噬掉,自然也不会把光也掩没了。
与此相反,由于太初黑洞体积太小,与恒星发生碰撞等接触时,会导致恒星表面上出现明显的振动现象。
然而,暗物质与恒星发生接触是一种怎样的场景呢?美国纽约大学研究人员迈克尔科斯登(Michael Kesden)认为:你可以想象一个巨大的水球,然后尝试着将其戳出一个小洞,这时候里面流出的水形成的波状流动就类似于恒星表面出现的情况。
迈克尔科斯登同时也是该研究论文的主要作者。
通过观察恒星表面出现异常运动,我们就可以弄清楚在恒星内部正在发生着什么情况。
同理,如果一个太初黑洞穿过一颗恒星中央核结构,我们就可以通过观察其表面的振动来了解恒星内部的相互作用。
现在,对于本次研究的科学家而言,可能仅仅只是一个时间的问题。
研究人员模拟一个太初黑洞具有多大体积,才可以使得其与恒星发生接触时造成恒星表面出现明显振动波纹。
结果发现,当质量达到一个典型的小行星水平时,才可符合这个要求。
如果仅仅是一个真正意义上的太初黑洞,科学家认为能够在一些离散分布的点上发现异常情况。
研究人员迈克尔科斯登同时也指出:我们现在已经知道太初黑洞可以在恒星表面产生可检测到的振动现象,我们现在尝试着观察在比太阳更大的恒星上会出现何种情况。
仅仅是银河系中的恒星就有一千亿颗的数量级,在这么大的基础样本前提下,如果我们知道银河系中哪儿会发生这类现象,每年估计可以看到一万个左右此类的事件
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.
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