天文学家一直在努力探索宇宙，但由于地球大气会吸收紫外线、红外线等波段的光，地面观测受到严重限制。
为了避免这些影响，天文学家不断寻找新的观测方式。
20世纪60年代，气球携带探测仪器进行红外观察成为可能，但由于观测时间短、稳定性差，这种方法的效果有限。
1974年，美国宇航局发射了柯伊伯机载天文台（KAO），其搭载着一个直径0.915米的反射式望远镜，在平流层进行红外观测，能观测到85%的红外波长，并进行长达7.5小时的连续观测。
它的大量成果极大推动了红外天文学的发展，包括拍摄银河系中心及其他星系的远红外图像、研究恒星形成区域中的水和有机分子分布，并发现天王星环和冥王星大气层。
尽管机载天文台有所优势，但仍无法探测到全部红外光且受飞机振动影响。
因此，发射红外波段的空间望远镜成为最佳选择。
1983年，美国、荷兰与英国共同发射了第一款红外空间望远镜——红外天文卫星（IRAS）。
这颗卫星扫描了96%的天空，发现了约35万个红外发射源以及4颗小行星和6颗彗星。
然而，由于液氦制冷剂限制，IRAS在工作9个多月后即告结束。
此背景下，红外空间天文台（ISO）应运而生。
1995年11月，由欧洲航天局（ESA）主导，美国宇航局（NASA）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）参与合作，红外空间天文台（ISO）成功发射。
这标志着国际在红外天文学领域的合作又迈出坚实一步。
三方充分发挥各自优势，共同探寻宇宙的奥秘。
ISO重2.5吨，主镜直径0.6米，运行在近地点1000千米、远地点70600千米的大椭圆轨道。
与地球自转速度一致的24小时环绕周期大大便利了地面科研人员的观测操作，提高了使用效率。
ISO携带四台先进观测仪器：ISOCAM、ISOPHOT、SWS和LWS。
ISOCAM可观测2.5至17微米的波段，偏光照相机ISOPHOT用于观察单一天体的红外辐射总量。
SWS的波长范围为2.4-45微米，LWS则涵盖了45-196.8微米。
这些仪器的紧密协作，将ISO的观测能力拓展到2.5至240微米，提供了更丰富的观测数据。
ISO较之前的IRAS显著扩展了观测波长范围至2.5至240微米，为天文学家开辟了新的观测可能性，提供了深入宇宙认知的平台。
ISO能够捕捉到更多由不同天体发出的红外信号，揭示更多宇宙奥秘。
ISO在12微米波段的灵敏度提高了1000倍，大大提高了探测微弱红外信号的能力，能够观察到遥远星系中恒星形成区域及死星周围的细微变化。
角分辨率提升100倍，使ISO能够更精确地分辨天体的细节，对于研究天体结构、形态和演化至关重要。
通过这种观测，天文学家可以更好地理解恒星形成、行星大气组成及星系演变。
ISO携带283千克液氦制冷剂，远超IRAS的73千克。
液氦作为超低温制冷剂，将望远镜冷却至极低温度，减少自身红外干扰，提高观测准确性和灵敏度。
大量液氦延长了ISO的使用寿命至将近两年半，提供了更多观测时间和机会，带来了丰硕的观测成果。
例如，它在垂死恒星周围发现了年轻行星，还通过红外光谱仪测定了遥远天体的物质组成，包括在星际气体云中首次检测到氟化氢分子，以及在猎户座大星云中探测到水分子的存在。
这些发现为理解宇宙的化学演化和生命起源提供了关键线索。
ISO在垂死恒星周围发现年轻行星的重大发现，使天文学家重新审视关于行星形成的理论。
ISO还成功测量了多颗太阳系内行星大气的化学组成，为研究行星的形成和演化提供了重要数据。
首次在星际气体云中检测到氟化氢分子，证明宇宙中存在复杂化学过程，这些过程与生命的起源和演化相关。
在猎户座大星云中探测到的水分子，进一步推动了对宇宙生命起源的研究。
ISO在仙女座大星云M31的发现包括前所未见的同心环，这些环由温度极低的气体和尘埃组成，新恒星正在其中形成。
在5500光年外的三叶星云M20，ISO发现大质量中心星促进着第二代恒星的产生，帮助理解恒星的演化过程。
通过深空巡天，ISO研究了1000多个活跃星系，揭示了大规模恒星形成的过程。
许多星系通过光学望远镜无法如此清晰地观察到，它们被认为在大约100亿年前诞生于星系形成的黄金时代。
ISO的成功发射和运行对红外天文学的发展有深远影响，为后续空间望远镜发展提供了宝贵经验。
总之，红外空间天文台（ISO）在红外天文学领域留下重要里程碑，对领域发展及后续空间望远镜的推进有不可磨灭的影响。
ISO的贡献将在宇宙探索的历史中留下深刻烙印。
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
