星系作为宇宙的基本构建块，它们的起源和演化一直是天文学和宇宙学研究的核心问题。
目前，存在多种理论试图揭示星系诞生的奥秘。
包括暗物质密度扰动假说、气体坍缩假说以及恒星形成区合并假说。
这些理论各自解释了星系的不同方面，但都存在未解之谜，有待进一步的研究和探索。
暗物质密度扰动假说提出星系是由原始的暗物质密度扰动演化而来。
暗物质是一种神秘的物质，既不发光也不与电磁波相互作用，但它通过引力作用于宇宙中的物质和能量。
根据这一假说，暗物质密度扰动在宇宙中形成密度波，吸引气体和尘埃向这些高密度区域聚集，最终形成了星系。
这一理论有助于解释星系的大尺度结构，如星系团和超星系团，同时也与宇宙微波背景辐射的温度分布相吻合，支持宇宙大爆炸理论。
暗物质的本质及其与普通物质间的相互作用仍是未解之谜。
气体坍缩假说则认为星系源于原始气体云的坍缩。
在这个过程中，局部气体云由于密度增加，开始受到引力作用而坍缩。
随着坍缩速度的加快，内部压力上升，温度升高，触发核反应，最终形成恒星。
此假说能合理解释星系中恒星的形成和演化，以及星系形态和亮度的分布。
不过，它未能涉及暗物质在星系形成中的作用。
恒星形成区合并假说提出星系由原始的恒星形成区合并而成。
恒星形成区是宇宙中密度较高的区域，是恒星诞生的地方。
该假说认为，在重力作用下，恒星形成区逐渐合并形成星系。
这为理解星系中恒星的分布和演化提供了视角，也解释了星系内气体和尘埃的分布。
尽管如此，恒星形成区合并假说同样没有解决星系中暗物质分布和影响的问题。
在分子云中，原子和分子的高密度使得引力更加强烈，物质逐渐向中心聚集，最终形成恒星。
这与行星的形成过程有相似之处，即物质在小颗粒间碰撞和吸附的过程中不断累积，逐步形成较大的物体，最终形成行星。
星系的诞生则更为复杂，通常是在暗物质的引导下发生。
在宇宙早期，暗物质与普通物质的分布不同，暗物质引导周围物质聚集，形成暗物质密集区域，这些区域预示着未来星系的形成。
随着时间推移，这些密集区域中的普通物质形成气体和尘埃，经历类似恒星和行星的形成过程，但在恒星质量较大且引力作用下，恒星间相互交互，形成了更为复杂的星系结构。
虽然当前有关星系起源和演化的理论为我们提供了丰富的视角，但仍存在诸多未知领域。
未来的研究将继续深入探讨这些理论，以期揭示更多宇宙的秘密，并更好地理解我们所在的宇宙。
宇宙是一个充满奥秘的空间，由无数星系、恒星、行星、气体、尘埃以及神秘的暗物质构成。
暗物质虽然在光学望远镜下不可见，但它在宇宙中扮演着至关重要的角色，尤其是它在星系形成和演化过程中的引力作用，对星系结构的稳定性和发展具有决定性影响。
星系作为宇宙的基本构建块，包括恒星、星团以及更宏观的大尺度结构。
星团的聚集和演化形成了星系，而星系之间又通过引力相互作用，形成了更大的宇宙结构。
星系的形成可以追溯到宇宙早期的"再离合时期"，当时宇宙中充满了氢气和暗物质。
在重力的作用下，这些物质开始聚集，逐步形成了星系的雏形。
在这一过程中，暗物质起到了决定性的作用，因为它比可见物质的质量大得多，对星系的形成和演化产生了深远的影响。
恒星的形成是星系演化的核心环节，它依赖于星云中的气体和尘埃。
这些气体云在引力的作用下逐渐压缩，温度和密度不断提高，直到达到启动核聚变的条件。
氢原子核开始融合成氦原子核，释放出巨大能量，一颗新恒星就此诞生。
随着时间推移，恒星会逐渐消耗完氢燃料，核聚变反应减缓，恒星的温度和亮度下降。
不同质量的恒星会有不同的演化路径，小质量恒星可能会膨胀成红巨星并最终成为白矮星，而大质量恒星在燃料耗尽后可能会塌缩引发超新星爆炸，留下中子星或黑洞。
星系的结构随着演化逐渐变得复杂和多样化。
在星系的核心，通常会有一个明亮的区域，这是由大量恒星密集组成的。
环绕核心的是银盘，这是一个由恒星、气体和尘埃组成的扁平结构，常常可以看到螺旋状的旋臂。
整个星系被一个暗物质晕包围，虽然我们无法直接观测到暗物质，但可以通过它对可见物质的影响来推断其存在。
星系可以根据它们的形状和结构被分为不同的类型。
霍普金斯星系分类法是目前最广泛使用的分类系统，它将星系分为椭圆形、旋涡形和不规则形三种。
椭圆形星系呈现近乎完美的椭圆形状，缺乏年轻的恒星和星际物质，旋涡形星系则有明显的旋转和螺旋结构，富含年轻的恒星和星际物质。
不规则星系形态各异，结构复杂，通常也含有丰富的年轻恒星和星际物质。
关于星系演化的理论模型有多种，其中最引人注目的是纯暗物质模型、半暗物质模型和星暴模型。
纯暗物质模型认为星系的质量主要由暗物质提供，暗物质在星系的形成和演化中起主导作用。
半暗物质模型则是考虑到可见物质和暗物质的混合作用，两者的相互作用对星系演化至关重要。
星暴模型强调恒星形成和演化对星系演化的影响，认为星系的发展与恒星的生命周期密切相关。
宇宙的基本特征和星系的研究价值体现在我们对星系形成、演化、形态分类和演化模型的理解上。
这些知识不仅帮助我们更好地认识宇宙的起源和结构，而且为探索宇宙的未来提供了宝贵的线索。
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
