
ALMA射电望远镜捕捉到早期宇宙中两个巨大的螺旋星系(ID2299)碰撞后喷出大量气体
据cnBeta:世界上最大的射电望远镜捕捉到了早期宇宙中两个巨大的螺旋星系碰撞的瞬间。
天体物理学家认为,这一发现以为星系如何生长和进化提供一些关键的见解--以及可能导致它们停止生长的原因。
这项研究周一发表在《自然天文学》杂志上,描述了由阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜(ALMA)对ID2299星系进行的观测。
根据研究合着者、法国替代能源和原子能委员会(CEA)的天体物理学家Emanuele Daddi的说法,在观察了100多个星系后,ALMA团队发现了ID2299星系,并发现它正在经历一个“真正的极端事件”。
作为一个星爆星系,ID2299正在经历一个快速形成恒星的时期,热气体和尘埃正在积累,产生新的恒星的速度比平均速度快5倍左右。
随着时间的推移,当星系用完了它们的尘埃和气体形成恒星时,这个过程就会急剧放慢,结构就会沉淀下来,进入一个成熟的成长阶段,远没有那么忙碌。
ID2299的情况有点不寻常。
我们看到的是宇宙只有45亿年左右历史的时候。
它正在制造大量的恒星,但研究人员注意到,它似乎也在向太空中喷出大量气体。
他们称之为“巨量喷射”。
研究小组认为,这些“巨量喷射”的气体相当于银河系气体总质量的一半,很可能是由两个螺旋星系互相旋转造成的,导致引力变得很奇怪。
两个合并的星系之间的相互作用帮助快速排出气体。
然而,真正让他们兴奋的是他们的发现对星系生长和进化的影响。
当恒星形成下降时,星系就会进入其生命的最后阶段(持续几十亿年),但形成如何停止一直是个谜。
一些天体物理学家推测,由黑洞或强烈的恒星形成引起的星系风可能会将气体推出星系,并阻止恒星的形成。
但新研究表明,恒星的形成也可能被这些巨大的碰撞所淬灭。
“因此,两个星系之间的引力相互作用可以提供足够的角动量,将部分气体踢出星系周围,”杜伦大学天体物理学家、论文第一作者Annagrazia Puglisi说。
“这表明,合并也能够通过限制星系在数百万年内形成恒星的能力来改变星系未来的演化,在思考限制星系生长的因素时,值得更多的研究。
”
Puglisi的团队使用计算机模拟显示,“巨量喷射”很可能是由合并引起的,而不是ID2299中的黑洞或恒星形成增加。

研究人员还提出,这一事件可能在早期宇宙中很常见,其他星系抛射可能是星系碰撞的结果,这对之前一些关于风如何将星系气体吹到黑暗空间的研究提出了挑战。
为了帮助支持新的假设,该团队将研究其他遥远星系的合并,并试图进一步制约巨量喷射的可能原因。
“这可能会对我们理解究竟是什么形成了星系的演化产生巨大的影响,”里昂天文研究中心的天体物理学家、论文的合着者Jeremy Fensch说。
相关报道:ALMA观测到一个遥远的碰撞星系 它正在释放其恒星形成的气体
据cnBeta:Atacama大毫米/亚毫米波阵列(ALMA)观测到一个遥远的星系与另一个星系相撞。
科学家们之前也曾观测到过相撞星系,这一次的独特之处在于,随着星系的碰撞,产生的合并星系正在释放其恒星形成的气体。
天文学家说,这个星系正在喷射出近一半的恒星形成的气体,而且速度非常快。
科学家估计,银河系每年喷射的气体相当于近1万个太阳的的质量,气体的注入正在迅速地移除银河系制造新恒星所需的燃料。
气体的喷射被认为是在星系碰撞时触发的,这一事件可能会导致天文学家重新思考星系如何停止带来新的恒星。
当星系耗尽燃料并停止产生恒星时,它们就会逐渐消亡。
首席研究员Annagrazia Puglisi表示,这是天文学家首次在遥远的宇宙中观测到一个典型的大规模恒星形成星系,这个被称为被称为ID2299的遥远星系即将因大规模的冷气体喷射而消亡,它距离我们很远,光线需要90亿年才能到达地球。
从地球上,天文学家看到的星系是宇宙只是45亿年前的样子。
该星系形成恒星的速度也非常快,比银河系形成恒星的速度快数百倍。
天文学家说,这意味着剩余的气体将被恒星形成的速度迅速消耗掉。
ID2299在几千万年内将不再形成恒星,按照恒星形成气体的喷射和消耗速度,科学家认定,气体喷出是由于两个星系碰撞合并,由于喷出的气体与“潮汐尾”联系在一起造成的。
潮汐尾是一种延伸到星际空间的恒星和气体的形成的一种流状外貌,它是两个星系合并时产生的。
通常情况下,潮汐尾太过微弱,在遥远的星系中无法看到,然而,在ID2299中却可以看到它。
天文学家认为,恒星形成的风和大质量星系中心黑洞的活动造成的风是将恒星形成的物质发射到太空的原因。
然而,新的研究表明,星系合并也可能是将气体喷射到太空的原因。
相关报道:天文学家亲眼见证星系消亡场景
据网易科技《知否》(小小):浩瀚的宇宙中有数不尽的星系,其中许多注定要走向消亡。
然而,人类至今从未观察到过这种现象。
不过,英国和法国科学家如今首次亲眼见证了遥远星系的消亡场景。

通常情况下,当星系中的恒星停止形成时,星系就会逐渐消亡。
英国达勒姆大学和法国萨克雷核研究中心的科学家们利用智利的阿塔卡玛大型毫米波望远镜阵列(ALMA)观察到了这种罕见现象,甚至看到其用于形成恒星的冷气体正大量流失。
这个星系代号为ID2299,距离地球大约90亿光年。
ID2299星系现在每年损失相当于10000个太阳质量的气体,这导致其形成恒星所需的材料大幅减少。
到目前为止,该星系已经失去了冷气体总量的46%。
与此同时,ID2299仍在以比我们银河系快数百倍的速度快速形成新的恒星,这将进一步加速耗尽该星系中剩余的气体。
这实际上将导致ID2299在几千万年后死亡。
英国达勒姆大学和法国萨克雷核研究中心首席研究员兼博士后助理安娜格拉齐亚·普格利西(Annagrazia Puglisi)表示:“这是我们首次观察到遥远宇宙中巨大星系即将死亡的场景,因为其冷气体正大规模喷射流失。
”
这个星系的消亡可能是由于与其他星系碰撞所致。
碰撞可能导致气体损失的有力证据是“潮汐尾巴”的形成,后者是两个星系碰撞后延伸到太空中的气体和恒星形成的长流。
通常情况下,这些潮汐尾巴在如此遥远的地方难以看到,但天文学家们能够在明亮的尾巴延伸到太空时观察到它。
如果碰撞导致这个星系的气体流失,天文学家可能需要重新考虑关于星系中恒星形成过程的理论。
此前,科学家们认为,恒星形成所产生的风,与巨型星系中心活跃的黑洞相结合,将形成恒星所需的物质喷出太空,从而标志着恒星形成过程结束。
法国萨克雷核研究中心的研究合着者、天文学家伊曼纽尔·达迪(Emanuele Daddi)说:“我们的研究表明,碰撞可以产生气体喷发,风和潮汐尾巴看起来非常相似。
这可能会让我们改变对星系‘死亡’的理解。
”
未来对ID2299的持续观测,可能会揭示更多关于该星系所喷出气体的信息。
伦敦大学学院研究员基亚拉·切尔科斯塔(Chiara Circosta)称:“ALMA为解释遥远星系中恒星形成的机制提供了新的线索。
目睹如此大规模的破坏事件,为复杂的星系演化之谜增添了重要一环。
”
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.
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