(图)星系暗能量之谜 科学家探索宇宙“刻度尺”

天文学家对类星体的研究，一直处于进行之中。

位于丹麦哥本哈根著名的玻尔研究所的天文学家们发现了一种用于测量宇宙距离的新方法。

测量宇宙距离听起来好像很简单，但是这可是天体物理学中最困难的问题之一，是宇宙学的核心。

可以允许天文学家计算出宇宙的年龄和了解宇宙根本属性的问题。

而这个新方法就是使用类星体进行测量宇宙距离，通过对这些"明亮"天体的定位，家将能够确定宇宙中更遥远的地方与我们的距离，同时这项研究还可以更好地了解暗能量的问题。

类星体背后隐藏着超大质量的黑洞

宇宙中每个星系的中央几乎都存在一个黑洞，黑洞的规模各不相等，其质量由数百万倍太阳质量至数十亿倍之间。

而这些星系中央黑暗的恐怖黑洞虽然不可被直接观测到，但是我们可以通过探测它们在吞噬物质的过程中所产生的辐射，而推测它们存在的位置。

当被吞噬物质落入黑洞时，由于摩擦、碰撞挤压的原因，会使其温度上升，在X射线波段上就显得特别的"明亮"。

如果这些物质喷流与我们的视野保持平行，那我们就会探测到不可思议高能辐射，其被认为是宇宙中神秘的类星体，也是匪夷所思的天体现象。

寻找新的方法来测量宇宙的距离一直是宇宙学上经久不衰的研究目标之一。

在上个世纪的90年代，天文学家使用超新星，大质量恒星的爆炸来对遥远宇宙空间进行距离上的定位。

而在1998年，天文学家发现宇宙存在加速膨胀的状态，并提出了新的标准宇宙模型，同时也了解到宇宙中的70%都是由暗能量组成的，正是暗能量的引入，使得旧的标准宇宙模型中宇宙临界密度有了新的定论。

现在，哥本哈根玻尔研究所的科学家达拉沃特森（博士）（Darach Watson）和他得同事们以及发现了一种可通过类星体对宇宙空间进行距离定位的新方法。

类星体其强大的辐射功率的背后是星系中央的超大质量黑洞，虽然其亮度与普通的恒星没有多大的差别，但是其强大的辐射功率可以远远超过一个普通星系中所有恒星辐射功率的总和，这些可怕能量的背后，就隐藏着一个看不见的黑洞。

由于其具有这类特点，天文学家一直试图在寻找如何利用这个性质，自从类星体在上个世纪60年代被发现以来，科学家在不断地了解这个神秘的天体。

波尔研究所的凯利丹尼（Kelly Denney）博士（另一位参与该研究的小组成员）认为：为了验证在新方法，我们在等待此类现象被再次观测到。

我们目前已经对隐藏在类星体背后超大质量黑洞的行为进行了一些了解，掌握了那些被吞噬的气体云的大小，以及类星体亮度等基本参数。

但是达拉沃特森（博士）和他的同事们认为：我们现在所掌握的新数据，比如被吞噬的气体云的大小等，还不够精确，使用这些数据不能精确预测这些类星体的亮度。

如果我们对类星体的亮度进行精确的量化，就可以很容易确定它们距离我们有多远了。

由于宇宙中的类星体具有非常大的红移值，也就是说它们距离我们非常遥远，因而对这些类星体进行精确的空间距离定位可以帮助天文学家确定遥远宇宙空间的距离。

类星体具有位于遥远宇宙空间的特性，远远超过超新星，这是目前最好的用于测量宇宙距离的方法。

科学家达拉沃特森认为：这就是为什么类星体会令人如此兴奋的原因，由于其距离本来就很遥远，所以类星体代表着宇宙的过去，也就是说，我们现在观测到的就是在过去数亿年，甚至近百亿年前所发生的事件，是对时间箭头过去的观测，同时也可以让我们连接到宇宙在加速膨胀过程中，暗能量是处于何种作用。

同时，如果能够精确地测量遥远宇宙空间的距离，将有助于天文学家对未来暗能量在宇宙演化过程中所处的地位进行了解，可对宇宙最终命运的走向判断产生深刻影响

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