伽马射线暴 (GRB) 是宇宙中最明亮、能量最高的光爆发。

据美国宇航局称,由一次巨大的宇宙爆炸释放出的单个 GRB 能够发出比地球太阳光亮约 100 万亿倍的光——而且,在大多数情况下,科学家们无法解释它们为什么会发生。
部分问题在于,所有已知的 GRB 都来自非常非常遥远的地方——通常距离地球数十亿光年。
有时,伽玛暴的母星系是如此遥远,以至于爆发的光似乎根本不存在,短暂地从黑色、空旷的天空中闪烁出来,几秒钟后消失。
这些“空空”伽马射线爆发,正如一些天文学家所称的那样,60 多年来一直是一个持续的宇宙之谜。
但是现在,9 月 15 日发表在《自然》杂志上的一项新研究为强大爆发的起源提供了令人信服的数学解释。
根据研究人员——他们模拟了伽马射线和其他强大能源(如宇宙射线)之间的相互作用——所有那些模糊的空空爆发可能是遥远星系盘中大规模恒星爆炸的结果。
“我们模拟了宇宙中所有星系的伽马射线发射......并发现它是恒星形成的星系产生了大部分伽马射线辐射。
”该研究的主要作者、堪培拉澳大利亚国立大学的天体物理学家马特·罗斯在一份声明中说。

天文学家倾向于对空天伽马射线之谜的两种主要解释。
一种解释是,当气体落入位于宇宙中所有星系中心的超大质量黑洞时,就会产生射线。
在这种情况下,当气体粒子被吸进黑洞时,一小部分逃逸出来,而是以接近光速的大物质射流辐射出去。
人们认为这些强大的喷流可能是伽马射线爆发的原因。
另一种解释指向称为超新星的恒星爆炸。
当大恒星耗尽燃料并在这些猛烈的超新星中爆发时,它们可以将附近的粒子以接近光速的速度炸开。
这些被称为宇宙射线的高能粒子然后可能与散布在恒星之间的气体腹地的其他粒子碰撞,产生伽马射线。
在他们的新研究中,研究人员通过模拟宇宙射线和星际气体在各种类型的恒星形成星系之间的相互作用,专注于第二种解释。
他们发现伽马射线的发射率受几个关键因素的影响,包括星系的大小、恒星形成的速度(影响超新星的速度)和每颗超新星产生的宇宙射线的初始能量。

一旦团队有了一个模型来预测各种大小星系的伽马射线暴发生率,他们就将他们的模型与美国宇航局费米伽马射线太空望远镜编制的伽马射线辐射真实调查进行了比较。
研究人员发现,他们的计算与观测结果相符,并且恒星形成星系中的超新星可以解释大多数(如果不是全部)空天伽马暴。
“这是一个重要的里程碑,最终发现这种伽马射线发射的起源,解开了天文学家自 1960 年代以来一直试图破译的宇宙之谜。
”罗斯说。
研究人员补充说:“黑洞可能仍然是我们卫星接收到的一些伽马射线的原因。
”但是当涉及到神秘的空天伽玛暴时,饥饿的黑洞是完全没有必要的;
宇宙遥远角落的爆炸恒星足以解释这一现象。
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.
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