宇宙中有多少黑洞？天文学家：至少40万亿颗，而且还在增加

对目前的科学界来说，黑洞绝对算得上是最神秘的天体。

虽然爱因斯坦早在20世纪初就在广义相对论中预言了黑洞的存在，但天文学界直到2019年才拍到了第一张真实的黑洞照片，也就是5500万光年外的M87星系中心黑洞，质量为太阳的65亿倍。

这张好似蜂窝煤一般的照片所表现出的黑洞本体和吸积盘，也宣告了天文学界目前的黑洞外围理论是正确的。

但宇宙中究竟有多少个黑洞呢？

以往这个问题是无法被回答的，因为黑洞不像星系和恒星一样能被望远镜直接看见，天文学家想确认黑洞的存在，只能去分析恒星的运动轨迹，如果发现一颗恒星在绕一个"肉眼不可见"的引力源运动的话，就证明这颗恒星周围存在黑洞。

这种发现一颗记录一颗的方法，显然不可能统计出全宇宙的黑洞，所以天文学界采用了估计法，他们认为占宇宙质能总量5%的普通物质，也就是可见物质，至少有1%被吞噬到了黑洞中。

这1%被黑洞吞噬的质量，按照黑洞质量分布去分配的话，大约是40,000,000,000,000,000,000个，也就是说宇宙中至少存在40万亿个黑洞。

看到这里你也许会觉得这个数字有点夸大了，但其实一点都不夸张，因为在直径930亿光年的可观测宇宙里，天文学家估计至少存在2万亿个星系，每个星系的中央基本上都有一颗超大质量黑洞。

至于剩下的38万亿个黑洞，主要由大质量恒星晚年坍塌而成，在平均每个星系都有上千亿颗恒星的情况下，2万亿个星系内的恒星加起来，是完全能产生38万亿个黑洞的，因为两者根本就不在一个量级上。

不过由于我们的太阳属于中等质量的黄矮星，所以50亿年后并不会变成黑洞，而是会变成一颗每立方厘米质量达到数吨的白矮星，数千亿甚至数万亿年后，这种白矮星还会冷却为黑矮星。

但相比大质量恒星晚年坍塌成黑洞的"清楚明晰"，天文学界对于超大质量黑洞的形成，目前还是一头雾水。

因为星系中心的超大质量黑洞，往往具有几百万甚至几百亿个太阳质量，如此巨大的质量绝不可能是恒星坍塌而来的，也不可能是由众多小黑洞融合而来的。

思来想去只有一种可能，那就是这些星系中心的超大质量黑洞属于"原初黑洞"，是在宇宙大爆炸不久后就诞生的第一批黑洞。

但宇宙大爆炸为什么会产生黑洞呢？

这个问题广义相对论可以回答，因为黑洞在广义相对论中就是"质量堆积于时空一点"的产物，而大爆炸恰恰就是"能量转化为质量"的过程，在138.2亿年前大爆炸那一刻，能量分布伴随着时空的剧烈膨胀而变得不均匀。

当这种"不均匀"超过一定限度后，就会在引力作用下发生坍塌，成为宇宙中第一批黑洞，同时由于大爆炸的能量是有史以来最大的，所以产生的原初黑洞质量也大得惊人，绝非后来的恒星级黑洞能比。

这些质量巨大的原初黑洞，后来就成为了每个星系中心的超大质量黑洞，但仅靠这些原初黑洞是无法掌控星系内数千亿颗恒星的。

拿银河系来举例，银河系中心440万倍太阳质量的超级黑洞人马座A*，是绝无可能凭借一己之力维持银河系内1000亿到4000亿颗恒星的引力平衡的，银河系之所以能保持稳定而不是分崩离析，很大程度上是因为遍布银河系内外的暗物质，是它们提供了额外的质量和引力，充当了星系内的粘合剂。

银河系中心的超大质量黑洞，其实主要影响的是附近的球状星团和其他黑洞，而非直径18万光年的银河系本身，银心区域的人马座A*以及稠密的球状星团和游荡黑洞，这三者加起来产生的引力聚合体才是银河系真正的定盘星。

总体而言

为了真正解开黑洞之谜，我们还需要寻找更多黑洞才行，但无论如何，科学家相信我们似乎已经迎来了开始破解黑洞之谜的时代。

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