类星体在大爆炸之后仅6.7亿年就完全形成，并由已知的最早的超大质量黑洞提供动力，可洞悉早期宇宙中巨大星系的形成。
由亚利桑那大学领导的一组天文学家观测到距离地球130.3亿光年的发光类星体，是迄今为止发现的最遥远的类星体。
类星体的历史可追溯到大爆炸之后的6.7亿年，当时宇宙仅是其当前年龄的5％，类星体拥有一个超大质量的黑洞，相当于16亿个太阳的总质量。
除了是最遥远且最早的类星体，这个物体还是同类物体中第一个显示出过热气体以五分之一光速从黑洞周围逸出的证据。
除了揭示强类星体驱动的风之外，新观测还显示了类星体（正式名称为J0313-1806）所在的宿主星系中强烈的恒星形成活动。
研究人员将在2021年1月11日至15日之间举行的美国天文学会第237次会议的新闻发布会和科学演讲期间，介绍他们的发现，这些发现已被发表在《
天体物理学杂志快报》上。
三年前发现了婴儿宇宙中类星体的先前记录，亚利桑那大学团队也为这一发现做出了贡献。
类星体被认为是由于超大质量黑洞吞没了周围的物质（例如气体甚至整个恒星），导致了过热物质的漩涡（称为吸积盘）在黑洞周围旋转。
由于涉及巨大的能量，类星体是宇宙中最明亮的光源之一，通常比它们的宿主星系更耀眼。
尽管J0313-1806比以前的记录保持者仅相距2000万光年，但新的类星体包含一个超大质量的黑洞，其重量是其两倍。
这标志着宇宙学的重大进步，因为它对早期宇宙中黑洞的形成提供了最强的约束。
该论文的主要作者，UArizona管家天文台的哈勃研究员Feige Wang说：“这是超大质量黑洞如何影响其周围星系的最早证据。
”
“通过观察距离较远的星系，我们知道这是必须发生的，但我们从未见过如此早在宇宙中发生。
”
在宇宙还很小的时候，类星体已经在其黑洞中积累了数百万甚至数十亿个太阳质量，这对科学家试图解释它们是如何在没有时间的情况下如何存在构成了挑战。
关于黑洞形成的一种普遍接受的解释是，一颗恒星在生命尽头以超新星的形式爆炸并坍塌成黑洞。
当这些黑洞随时间合并时，理论上它们可以成长为超大质量的黑洞。
但是，就像每年要花费一美元来建立退休基金需要很多人一生一样，早期宇宙中的类星体有点像学步百万富翁。
他们一定是通过其他方式获得了质量。
新发现的类星体提供了一个新的基准，排除了两种目前关于超大质量黑洞如何在如此短的时间尺度内形成的模型。
在第一个模型中，大质量的恒星主要由氢组成，缺乏组成后来的恒星的大多数其他元素，包括金属，在年轻的星系中形成了第一代恒星，并为新生的黑洞提供了食物。
第二个模型涉及密集的星团，这些星团从一开始就坍塌成一个巨大的黑洞。
根据发现它的团队，类星J0313-1806拥有一个黑洞，该黑洞太大，无法用上述情况解释。
研究小组计算得出，如果黑洞的中心早在大爆炸之后就形成了1亿年，并且以尽可能快的速度增长，那么它仍然必须至少有10,000个太阳质量。
“这告诉你，无论做什么，这个黑洞的种子一定是通过不同的机制形成的。
”亚利桑那大学天文学系副主任范晓辉说。
“在这种情况下，涉及大量原始冷氢气的气体直接塌陷到种子黑洞中。
”
因为这种机制不需要成熟的恒星作为原料，所以它是唯一一种在类星体如此早期就允许类星体J0313-1806的超大质量黑洞增长到16亿太阳质量的机制。
这就是使新记录类星体如此有价值的原因。
他说：“一旦您降低了红移，所有的模型都可以解释那些距离较远，质量较小的类星体的存在。
”
“为了使黑洞增长到我们在J0313-1806中看到的大小，它必须以至少10,000太阳质量的种子黑洞开始，并且只有在直接坍塌的情况下才有可能。
”
根据当前的星系演化模型，超大质量黑洞在其中心生长可能是星系最终停止制造新恒星的主要原因。
类星体的作用就像是一个具有宇宙比例的喷灯一样，会猛烈地轰炸周围的环境，有效清除其宿主星系中的大量冷气体，而冷气体则是形成恒星的原材料。
通过测量类星体的光度，王的团队计算出，在其中心的超大质量黑洞平均每年摄入相当于25个太阳的质量，这被认为是其高速热等离子体风以相对论速度吹进其周围星系的主要原因。
相比之下，银河系中心的黑洞大部分已经休眠。
虽然银河系每年以大约一个太阳质量的悠闲速度形成恒星，但J0313-1806却在同一时期产生了200个太阳质量。
王说：“这是一个相对较高的恒星形成率，类似于在其他类似年龄的类星体中所观察到的，它告诉我们宿主星系的增长非常快。
”
范补充说：“这些类星体可能仍在建立其超大质量黑洞的过程中。
”
“随着时间的流逝，类星体的流出物加热并把所有气体排出银河系，然后黑洞不再有东西可以吃了，并且会停止增长。
这是这些最早的大规模星系及其类星体如何生长的证据。
”
研究人员希望通过未来的观察，发现有关类星体秘密的更多信息，尤其是目前计划于2021年发射的NASA的James
Webb太空望远镜。
王说：“使用地面望远镜，我们只能看到一个点光源。
”
“未来的观察可能使更详细地解决类星体成为可能，显示类星体的流出结构以及风向其星系延伸的距离，这将使我们对它的演化阶段有一个更好的认识。
”
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
