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最早的宇宙岛就像是宇宙火球以惊人的速度

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-10

  

  最早的宇宙岛就像是宇宙火球 以惊人的速度将气体转化为太阳

  据cnBeta:加州大学洛杉矶分校(UCLA)领导的一项研究报告称,最早的宇宙岛实际上就像是宇宙火球,在其整个范围内以惊人的速度将气体转化为太阳,该报告发表在《天体物理学杂志》的一个特刊上。

这项研究基于詹姆斯-韦伯宇宙望远镜的数据,是对这些宇宙岛的形状和结构的第一次研究。

它表明它们与现今的宇宙岛完全不同,在这些宇宙岛中,太阳的形成被限制在小区域内,例如我们银河系中的猎户座。

  该研究的重要作者、加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授Tommaso Treu说:"我们看到宇宙岛以一种令人激动的速度形成新的太阳。

韦伯令人难以置信的分辨率使我们能够以前所未有的详情研究这些宇宙岛,我们看到所有这些太阳的形成都发生在这些宇宙岛的区域内。

"

  特鲁指导着GLASS-JWST早期公布科学计划,该计划的第一个结果是该特刊的主题。

这期杂志中另一项由加州大学洛杉矶分校领导的研究发现,在大爆炸后不久--不到10亿年内--形成的宇宙岛可能已经开始燃烧剩余的吸收光子的氢,为黑暗的宇宙带来光明。

  "即使是我们最好的望远镜也确实难以确认如此遥远的宇宙岛的距离,所以我们不知道它们是否使宇宙变得透明,"领导这项研究的加州大学洛杉矶分校博士后研究员Guido Roberts-Borsani说。

"韦伯正在向我们展示,它不仅可以做这项工作,而且可以以惊人的速度完成。

它是一个游戏规则的改变者。

"

  这些发现是加州大学洛杉矶分校天体物理学家的许多令人惊叹的发现中的两个,他们是第一批通过韦伯新近打开的一扇窗户窥视过去的人。

  韦伯是目前人类在宇宙中设置的最大的近红外望远镜,其卓越的分辨率提供了一个无与伦比的视角,可以看到如此遥远的天体,其光线需要数十亿年才干到达地球。

尽管这些天体现在已经老化,但只有它们最早的时候发出的光才有足够的时间穿越宇宙,最后出现在韦伯的探测仪上。

因此,韦伯不仅起到了某种时间机器的作用--将科学家们带回到宇宙大爆炸后不久的时期--而且它所产生的图像已经成为一个家庭相册,其中有婴儿宇宙岛和星星的快照。

  GLASS-JWST是NASA在2017年选择的13个早期公布科学项目之一,以快速产生可公开访问的数据集,并展示和测试韦伯号上仪器的能力。

  该项目旨在了解第一批宇宙岛的光线是怎么以及什么时候烧穿大爆炸留下的氢雾的--这一现象和时间段被称为"重化纪元"--以及气体和重元素怎么在宇宙时间内分布在宇宙岛内部和周围。

两位天文学家合作利用韦伯的三个创新的近红外仪器对早期宇宙中的遥远宇宙岛进行详细测量。

  离子化纪元是一个科学家们仍然不甚了解的时期。

直到现在,研究人员还没有观测当时存在的宇宙岛所需的极其敏感的红外仪器。

在宇宙再电离化之前,早期宇宙仍然没有光,因为来自早期太阳的紫外线光子被饱和空间的氢原子所吸收。

  科学家们认为,在宇宙最初的十亿年中的某个时候,由第一批宇宙岛和可能由第一批黑洞发出的辐射导致氢原子失去电子,或被电离,防止光子"粘"在它们身上,并为光子穿越空间清除了一条通道。

随着宇宙岛开始电离出越来越大的气泡,宇宙变得透明,光线自由传播,就像今天一样,让我们每晚都能看到星星和宇宙岛的辉煌天幕。

  Roberts-Borsani发现宇宙岛的形成比以前认为的要快要早,这可以证实它们是宇宙再电离的罪魁祸首。

这项研究还证实了已知的最远的两个宇宙岛的距离,使用一种新技术使天文学家能够探测宇宙再电离的开始。

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