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宇宙中的各种天体是如何形成的?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-11

  星球,宇宙中的宏大天体,在它面前我们人类是渺小的,甚至是卑微的,就如我们面对我们的地球母亲一样。

  那它们是怎么诞生的呢?这一切和喷射理论有关。

  喷射理论是孕育母星因为内部的热核反应于万有引力不均衡,导致大量能量集中于母星的中间外侧,最后到达一个极限,喷射出去,喷射物离开母星进入真空迅速冷却形成星球等天体。

  星球千千万,情况万万多,小编也不给大家一一介绍,主要针对太阳系的形成以及其发生的一些大事进行解说。

  太阳的诞生和行星形成:因为太阳系在银河系的边缘地带,所以通过喷射理论推演,太阳应该是很久以前银核喷射出来的,只是因为银河系中心的能量过于巨大,导致太阳的能量过于巨大,继续遵守喷射理论喷射形成众多星球,如水星,地球,火星等等。

  而且因为太阳内部喷射能量的随时间不断变低,导致越早喷射的星球体积越大,质量越大,距离越远。

这点可以从木星和地球的体积可以看出。

木星质量是地球的318倍。

  小行星带的形成:小行星带是一个充满不规则天体的地带,具体形成原因应该是太阳形成过程重喷出的两个行星相互撞击,形成无数天体,而那些冷却前夕的天体因为内部的热核反应太强,而天体外部冷却,无法泄宣泄,导致爆炸,进一步的分化物质,形成现在的小行星带。

而那时候地球之所以没有被波及,八成是因为它的卫星月球抵挡。

  卫星的形成:卫星也是喷射形成的,就如我们的月球就是地球形成时期喷射形成的产物。

  关于宇宙的起源,以及星系的诞生和发展,一直以来都是未解之谜。

最近,日本大阪产业大学和国立天文台声称,其研究小组利用阿尔玛望远镜发现,距离地球132亿光年的星系,竟然含有氧元素。

  含氧就含氧呗,有什么了不起的。

然而,该星系是人类能够观测并发现氧元素的最远的地方,刷新了之前的观测记录。

  更为重要的是,通过哈勃望远镜观测到的数据分析,宇宙诞生2.5亿年后,该星系开始了活跃的造星运动。

  根据宇宙大爆炸理论,宇宙诞生于137亿年前的大爆炸,经过数亿年后宇宙出现了第一个星系。

这第一个星系到底是怎么诞生的?以及其诞生过程如何,科学家至今无法解释。

  大爆炸理论认为,宇宙诞生初期,只有氢和氦,以及少量锂元素,而现在观测到的氧元素则是后来的星系诞生过程中,星球产生的。

随着星球的死亡,这些氧元素则扩散到宇宙中。

此次观测证明,星球初期造的氧元素,已经开始在宇宙中扩散。

  顺着这条线索摸下去,可以预见,在更远的地方,如果没有发现氧元素的存在,而且只有氢元素和氦元素的存在,那就离发现宇宙的起源点不远了。

  那时候,或许我们稍微能够搞明宙到底是怎么诞生的。

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