宇宙有多少星系群

然而，估计整个宇宙里星系的数量并非易事。

首先纯粹的数值是个问题——一旦总量达到10亿以上，数量的继续增加导致计数越来越麻烦。

另一个问题便是我们仪器的限制，为了获得更好的视野，望远镜必须拥有更大的光圈(主要镜面或者镜头的直径)以避免地球空气产生的扭曲失真。

美国马里兰州巴尔的摩市空间望远镜科学研究所的天体物理学家马里奥·利维奥(MarioLivio)表示，哈勃太空望远镜是目前进行星系统计和估计的最好工具。

这台于1990年发射的望远镜最初主镜面存在失真，随后在1993年的一次航天飞机访问后修复了。

哈勃还经历了几次系统升级和服务访问，直到2009年5月的最终航天飞机任务。

2005年天文学家将哈勃望远镜指向看似空洞的大熊星座，并收集了长达10天的观测信息。

结果显示在每一帧里大约存在3000个昏暗星系，昏暗程度相当于第30级，相比之下北极星大约为第2级。

这张复合图片被称为哈勃深场，是一个人一次能够看到的最深最远的宇宙。

随着哈勃望远镜设备的不断升级，天文学家重复进行了这次实验两次。

在2003年和2004年，科学家创造了哈勃超深场，这张100秒曝光的图片揭示了天炉星座单一的小点上有10000个星系。

2012年，天文学家再次利用升级的设备观测了超深场的一小部分。

即使在如此狭窄的视野里，科学家们仍然监测到5500个星系。

科学家们将此取名为极深场。

总而言之，哈勃的观测揭示了宇宙大约存在1000亿个星系，但随着太空望远镜技术的发展，这一估计值可能增加到2000亿个。

利维奥这样说道。

数星星
无论所使用的设备是什么，估计星系数量的方法是相同的。

你利用望远镜选择一片天空并观测存在的星系数量，然后利用这片天空与整个宇宙的比例，从而确定整个宇宙的星系数量。

"这一方法的前提假设是整个宇宙是均匀的。

"利维奥说道。

"我们有理由相信事实的确如此，因为这是宇宙学原理。

"
这一原理追溯到爱因斯坦的广义相对论。

广义相对论的发现之一便是引力导致时空扭曲，基于此好几名科学家(包括爱因斯坦)试图理解引力将如何影响整个宇宙。

"最简单的假设便是如果你用足够差的视力观察整个宇宙，你会发现各个方向的各片天空几乎都是一样的。

"美国宇航局这样表示。

"这意味着，从非常大的范围内求平均值时，整个宇宙的物质是均匀和各向同性的，这被称为宇宙学原理。

"
宇宙学原理的例子之一便是宇宙微波背景，这种辐射是宇宙大爆炸之后早期宇宙的残余物。

利用例如美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(WilkinsonMicrowaveAnisotropyProbe,简称WMAP)等设备，天文学家发现无论从哪里观测，宇宙微波背景几乎都是相同的。

星系的数量未来是否会发生变化?
对宇宙膨胀——主要是通过观测星系远离我们的速率——的测量显示，宇宙大约已经138.2亿年老。

随着宇宙逐渐衰老和变大，星系将日渐后退，距离地球越来越远，这使得利用望远镜观测它们变得更加困难。

宇宙正在以超过光速的速率膨胀，这并不违反爱因斯坦的光速极限，因为膨胀的是宇宙本身，而非在宇宙里穿行的物体。

同时这种膨胀速率在不断加速。

这便是"可观测宇宙"——也即我们能够看到的宇宙——的概念发挥作用的地方。

在1万亿年到2万亿年间，有很多星系将超出我们在地球上能够观测的范围。

"我们将只能观测到那些发出的光能够到达地球的星系，但这并不意味着这是宇宙里所有的星系。

这便是可观测宇宙的定义。

"
星系也会随着时间的推移发生变化。

银河系在未来将与邻近的仙女座星系发生碰撞并在40亿年后合并。

在此之后本星系群的其它星系——距离我们最近的那些星系——将最终合并。

未来星系的居民可以观测到的宇宙将更加昏暗。

"那时候的文明可能无法发现宇宙具有1000亿个星系的证据，人类将无法观测到宇宙正在膨胀，甚至可能不知道曾经发生过宇宙大爆炸。

"
其它宇宙呢?
随着早期宇宙的膨胀，其它理论认为不同的"口袋"可能逃离并形成不同的宇宙，它们可能以不同的速率膨胀，包含其他类型的物质，甚至拥有与我们完全不同的物理定律。

利维奥指出其它宇宙可能也存在星系，只是我们无法确定的证实这一点。

所以星系的总量可能比2000亿个还要大。

在我们自身的宇宙里，随着2018年詹姆斯韦伯太空望远镜的发射，天文学家将能够更好的确定星系总量。

哈勃太空望远镜能够一窥宇宙大爆炸后4.5亿年形成的星系，而詹姆斯韦伯太空望远镜可以追溯到大爆炸后2亿年形成的星系。

"即便如此，预计的星系总量可能并不会发生太大的变化，"利维奥说道。

他指出第一批星系不可能形成于更早时期。

"因此2000亿个星系可能是我们可观测宇宙的最佳估计。

"

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