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詹姆斯·韦伯望远镜证实,宇宙中最早的星系爆发的恒星比我们想象的要多得多

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-27

大爆炸后2.9亿年形成的星系JADES-GS-z14-0。

(图片uux.cn美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、STScI、布兰特·罗伯逊(加州大学圣克鲁斯分校)、本·约翰逊(加州大学洛杉矶分校)、桑德罗·塔切拉(剑桥大学)、菲尔·卡吉尔(加州大学旧金山分校))据美国生活科学网站(Ben Turner):詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)发现了有史以来最早的星系,其异常明亮的光线来自一场奇怪的恒星形成狂潮。

该星系名为JADES-GS-z14-0,在大爆炸后至少2.9亿年形成,其中包含自我们的宇宙开始约2亿年后就爆发出生命的恒星。

JWST的近红外光谱仪(NIRSpec)发现了恒星的神秘起源和快速发展,这引发了一些关于我们的宇宙是如何形成的基本问题。

研究人员于7月29日在《自然》杂志上发表了他们的发现。

研究人员在研究中写道:JWST在早期宇宙中发现了大量发光星系,这表明星系发展迅速,与许多标准模型明显紧张。

。

星系形成模型将需要解决宇宙历史早期如此巨大和明亮的星系的存在问题。

天文学家不确定第一批恒星团何时开始聚集成我们今天看到的星系,但宇宙学家此前估计,这一过程在大爆炸后的最初几亿年内缓慢开始。

目前的理论表明,暗物质晕(一种神秘而不可见的物质,据信占宇宙总物质的85%)与气体结合形成了星系的第一批幼苗。

在宇宙存在10亿到20亿年后,这些早期的原星系进入了青春期,形成了矮星系,开始相互吞噬,成长为像我们一样的星系。

但JWST的发现混淆了这一观点。

2023年2月,一组天文学家分析了望远镜的数据,发现了一组六个巨大的星系——年龄在大爆炸后的5亿至7亿年之间——它们的质量如此之大,以至于与99%的宇宙学模型相矛盾。

JADES-GS-z14-0发出的光同样令人费解。

在这项新的研究中,NIRSpec检测到的光起源于星系核心周围巨大的年轻恒星晕,这些恒星在观测点之前已经燃烧了至少9000万年。

该星系还充满了异常大量的尘埃和氧气,这表明其恒星诞生和死亡的历史可能更长。

有趣的是,研究人员写道,这一发现表明,早期宇宙中的超亮星系不仅仅是活跃黑洞贪婪地吞噬物质的产物,正如人们通常认为的那样。

新的观测结果表明,逃逸恒星的形成也是这些古老星系令人惊讶的亮度的一个可行解释。

那么,像JADES-GS-z14-0这样的星系是如何如此迅速地产生如此多的恒星的呢?这个宇宙之谜的答案仍然难以捉摸,但它们不太可能打破我们目前对宇宙学的理解。

相反,天文学家们正在玩弄各种解释,包括巨型黑洞比预期更早出现;

超新星反馈;

甚至暗能量,以了解为什么这些古老的恒星能够如此迅速地形成。

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

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