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最新研究称首个星系诞生于宇宙大爆炸后2亿年

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-27

  据国外媒体报道,最新一项研究显示,宇宙首个星系诞生时间要早于之前的预计,仅在宇宙诞生之后的2亿年。

天文学家使用几种不同的望远镜发现一个遥远星系形成于宇宙大爆炸之后的2亿年,这一爆炸性事件给宇宙带来了生机。

而此前的研究声称宇宙中最早形成的星系形成于宇宙大爆炸后5亿年,目前科学家认为宇宙大约有137亿年历史。

  研究人员称,这项最新研究将迫使天文学家重新思考宇宙以及宇宙初期阶段状况。

法国里昂天文学研究中心的约翰-理查德(Johan Richard)是该项研究负责人,他说:"这是一项关于宇宙初期星系如何形成和进化的挑战性理论。

它将有助于解开宇宙初期充满的氢气浓雾如何消散之谜。

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  非常遥远的星系

  这个最新发现的星系并非迄今探测最遥远的星系,在更遥远的距离存在着几个更年轻的恒星。

理查德和研究小组同事使用两种美国宇航局仪器——哈勃望远镜和斯皮策望远镜观测到这个新星系。

  他们通过艾贝尔383星系团探测到这个星系,该星系团拥有强大的重力像放大镜一样弯曲光线。

这个最新发现的星系、艾贝尔383星系团和地球排列可放大该星系的光线,使研究人员详细地进行观测研究。

美国亚利桑那州大学合著作者埃彻-埃伽米(Eiichi Egami)说:"不使用这种太空透镜机制,我们无法基于当前观测设备研究这些星系。

受益于星系的自然属性,我们能够很好地观测到宇宙初期状况。

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  使用夏威夷凯克-2号望远镜,研究人员分析了该星系的光线,并探测其"红移(redshift)"。

红移是伴随着太空膨胀测量与地球保持远距离的天体,是以天体目标释放更长波长(更红的颜色)光线为勘测基准。

  伴随着波长的延伸,天体光线远离我们变换至红色光谱,这种变换亦被称为多普勒现象。

天文学家使用红移方法来测量天体的距离,进而测量出它们的年龄。

红移值越大,其距离地球则越遥远。

  宇宙中首个星系

  最新发现星系的红移值达到6.027,这表明当时的宇宙环境为宇宙大爆炸后9.5亿年。

然而星系中的恒星年龄至少已有7.5亿年历史,这意味着它们形成于宇宙大爆炸后2亿年。

这比之前天文学家所认为的首个星系诞生年代早数亿年,其它研究探测发现一些遥远的星系诞生于宇宙大爆炸后5亿年。

  英国剑桥大学合著作者丹-史塔克(Dan Stark)说:"我们的研究工作证实一些较早期的观测研究暗示着宇宙早期存在着较古老的恒星。

这表明宇宙首批星系诞生年代要早于预期。

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  早期宇宙解释?

  研究人员称,这项最新研究暗示着宇宙首个星系在何时形成。

它将帮助天文学家揭开宇宙如何进入"再电离"状态。

大约宇宙爆炸30万年后,宇宙中的氢气处于中性,意味着它并不带电。

经过10亿年,这些中性氢气被某种物质辐射电离,分离成为电子和质子,这种再电离过程使氢气变成紫外线,清除了早期宇宙中的"浓雾"。

  天文学家猜测,释放强大辐射引起再电离的物质必定来自星系,但研究人员并未发现可提供必要放射线的年代足够久远、距离足够遥远的星系。

目前,这项最新研究或许将有助于揭开这一谜团。

  法国马赛天文物理实验室珍-保罗-克内勃(Jean-Paul Kneib)说:"或许宇宙早期存在着更多的星系,远超出我们的评估预测,这些星系的年代更古老、更昏暗。

"现今我们仅能通过超大质量星系团来作为"宇宙望远镜"观测宇宙早期星系,比如:艾贝尔383星系团。

美国宇航局下一代望远镜——詹姆斯-韦伯太空望远镜可观测高清晰、遥远的红移天体目标。

  预计詹姆斯-韦伯太空望远镜将于2015年秋季之后发射,它将有助于揭开宇宙早期星系状况以及其它宇宙之谜。

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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