首页 > 宇宙 > 星系

宇宙中的“速逃星”,原本稳定运行在星系内部,为何突然叛逃了?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-27

"世界之大,无奇不有"

我们常用这句话来形容地球上稀奇古怪的事,宇宙之大,也无奇不有,除过吞噬万物的黑洞,拥有极端密度的中子星,宇宙中还有一类有趣的行星:速逃星。

地球日复一日地围绕太阳公转,太阳又以同样的方式驻留在银河系,似乎每颗行星和恒星都有自己的归宿,拥有自己稳定的公转轨道,实则不然,有一些恒星它们更像叛逆的流浪之子,急于冲出星系的怀抱。

这类恒星往往飞行速度极快,超越了能飞出星系的第四宇宙速度,朝着不可以思议的方向飞奔,对于这类恒星,我们形象的称它为"速逃星"。

恒星并不是凭空诞生的,它们在辽阔的气体尘埃云中被孕育,尘埃云是恒星的摇篮,不过摇篮里并只有一个恒星胚胎,往往是许多恒星同时出现,这种特征决定了许多恒星在星系运行过程中是互相有联系的,关联紧密或松散。

一些关联紧密的恒星集合体被称为"星协",另一些关联较少的则成了人们口中的"疏散星团",其中就会有不少"叛逃"的恒星。

银河系边缘有许多游荡的恒星,通过恒星的运动轨迹可以追踪到,它们很久以前属于银河系内部。

不过随着它们向边缘的不断前进,在未来的某一天它们就会彻底脱离银河系,成为太空中的流浪恒星。

原本稳定运行在星系内部的恒星,为何突然"叛逃"了呢?

科学家对速逃星进行了详细的观测,结果显示速逃星大部分为恒星死亡后的遗骸:白矮星,这说明恒星出逃时至少已经是暮年了,这就不由得让人想到超新星爆发。

银河系早期形成时物质十分密集,当时的恒星大部分质量都很大,恒星以内部的核聚变维持自己的存在,一旦氢燃料耗尽,恒星就敲响了死亡的钟声,质量大的恒星需要消耗更多的氢气,所以质量越大的恒星反而寿命越短。

于是早期的银河系曾有十分频繁的超新星爆发事件,爆发时恒星的内核会坍缩成为一颗白矮星或中子星甚至黑洞,如果冲击力足够大,就会把坍缩后的形成的天体推向其他区域。

这时恒星的出逃是因为自己的原因,不过也有可能是其他原因。

在一个高密度的星团内,两颗恒星可能会靠得非常近,当近的达到阈值时,两颗恒星在引力和离心力的作用下就会交互旋转,成为一个双星系统。

其中质量较大的一颗恒星会率先发生超新星爆炸,产生的冲击波就会把另一个质量较小的恒星给"踢开",这时被踢开的恒星就会以极快的速度脱离原有的轨道。

LP 40-365就是一颗著名的速逃星

编号中的LP来自1960年编成的鲁坦-帕罗马自行星表,它还有另一个编号"GD 492",来自1970年的Giclas天体目录,2017年,研究人员在分析哈勃太空望远镜和过境系外行星的数据时注意到了它。

科学家发现,LP 40-365在以每小时320万公里的速度穿越银河系,这样的高速足够每小时从地球到月球往返四次,照这样的速度,它最后将逃离银河系。

LP 40-365不仅在高速飞行,还会每隔9小时旋转一次。

恒星自转并不奇怪,比如我们熟知的太阳就会每隔27个地球日围绕中心轴自转一次,奇怪的是,对于一颗经历了超新星爆炸天体而言,LP 40-365的自转速度有些太慢了。

一般来说,速逃星是一颗能量还没有消耗完的恒星,主要由氢和氦以及碳元素组成,但LP 40-365的主要成分是氧和氖等较重的元素,这些元素只会集中在发生了超新星爆发的那颗恒星上。

这就说明了两种可能

一种是LP 40-365原本属于一个双星系统,它则是双星系统中质量较小的那个,质量较大的恒星率先发生了超新星爆炸,从而把自身的物质冲击到了LP 40-365上,于是这颗恒星就携带了大量较重的元素,另一种可能则更加简单,LP 40-365自身就是那个发生了超新星爆炸的恒星内核。

不过,假如LP 40-365是双星中的伴星,那么它身边的超新星爆发时,产生的冲击波足以支撑它高速自转,LP 40-365较低的自转速度说明它可能就是已经爆发过了的那颗恒星,因为在发生爆炸时,恒星的自转速度会急剧下降。

除过LP 40-365外,还有一些比较著名的速逃星,比如GD 50,它同样是一颗白矮星,不过它的密度极高,指甲盖大小的一块物质质量就达到了1200千克,GD 50目前游荡在波江座,不过它的运动方向和速度显示,它原本来自于昴宿星团。

研究速逃星并不是无用的猎奇,通过它们科学家可以知道曾经的超新星发生了什么,从而让我们对宇宙深处有更多的了解。

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

相关内容