科学家研究发现宇宙中第一批黑洞又饿又瘦

长期以来，科学家们一直在苦苦思索，如果没有一个由气体、尘埃、恒星和其他物质构成的稳定的"食物"来源，那么早期的黑洞究竟是如何长成我们今天所看到的"超级怪兽"的。

如今，他们利用超级计算机进行的模拟推算研究显示，宇宙早期黑洞的成长速度非常缓慢。

这一发现对理解星系以及黑洞的形成具有重要意义。

最早期的黑洞释放了大量的射线，进而抑制了附近恒星的生成。

（提供:KIPAC/SLAC/M. Alvarez, T. Abel, and J. Wise）
根据对早期宇宙环境进行的一项新的模拟研究，科学家指出，就像新大陆中的先行者一样，宇宙中的第一批黑洞会发现它们没有什么可吃的。

长期以来，科学家们一直在苦苦思索，如果没有一个由气体、尘埃、恒星和其他物质构成的稳定的“食物”来源，那么早期的黑洞究竟是如何长成我们今天所看到的“超级怪兽”的。

如今，他们利用超级计算机进行的模拟推算研究显示，宇宙早期黑洞的成长速度非常缓慢。

这一发现对理解星系以及黑洞的形成具有重要意义。

今天的黑洞通过重复利用物质而“繁荣昌盛”。

大多数星系中充满了星系气体和尘埃，以及数不尽的恒星残骸。

黑洞在吞噬了这些物质??它们因距离黑洞巨大的重力阱太近而被吸引过去??后逐渐长大。

然而美国宇航局（NASA）、加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学，以及加利福尼亚州门洛帕克市能源部国家加速器实验室的研究人员发现，在最早期的宇宙中，当时的“饲料”远没有现在这么丰富。

宇宙首批恒星质量非常大，有些可达太阳的1000倍。

大部分早期恒星最后通过超新星爆发结束了生命，但也有一小部分坍缩成为早期黑洞。

为了搞清最早期的黑洞究竟是如何生长的，研究人员基于之前对最早期恒星进行的研究工作而进行了一项模拟实验。

现有的几种流行理论认为，这些早期黑洞“狼吞虎咽”地吞噬大量气体和尘埃，迅速成长为超大质量黑洞，隐匿在大型星系的中央。

而这个研究小组最新的超级计算机模拟推算研究则发现，它们实际上成长非常慢。

模拟结果表明，黑洞能够非常强烈地释放能量，从而加热了宇宙中很远处的气体??大约有1万光年之遥。

这些被加热的气体扩散开来，它们并没有形成附近的恒星或星系，也没有向后退缩以喂食黑洞。

最终，在2亿年的时间里，最早期黑洞的增长没有超过1%。

研究小组在本周的《天体物理学杂志快报》网络版上报告了这一研究成果。

参与此项研究的马里兰州格林贝尔特市NASA下属戈达德空间飞行中心的天体物理学家John Wise表示：“在得到一个大星系的款待之前，早期黑洞的发展一直受到限制。

”
不过，尽管成长缓慢，早期黑洞对周围环境的影响却非常大。

这些黑洞向周围释放了大量X射线，可以将100光年以内的气体加热至数千摄氏度，被加热的气体在数千年甚至数亿年内无法形成恒星。

研究人员说，这些模拟推算结果说明，黑洞在宇宙发展的过程中起到了非常复杂的作用。

美国马萨诸塞州剑桥市哈佛?史密森天体物理学中心的天文学家Steven Willner认为，这项模拟结果“向我们强调了早期宇宙中发生的过程的复杂性”。

他说，特别是我们对于第一批恒星或它们的残骸到底发生了什么知之甚少。

Willner表示：“这篇论文并非这一过程的结束语，它是一个非常完美的开始。

”

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