宇宙中有多少星系，韦伯望远镜照片显示：至少有502万亿个星系

你现在看到的这张照片是韦伯望远镜拍摄的北黄极天区，靠着比哈勃望远镜强出一大截的拍摄能力，韦伯此次又发现了很多新的星系。

然而你能想象吗？

这张至少包含了一万个星系的照片，其实只占了满月面积的2%那么大的天区，毫不夸张的说，这一万个星系几乎就分布在针尖大小的区域里，只不过平常我们看不见，只能由韦伯望远镜长曝光后才能看见而已。

作为一张典型的深空场照片，和此前哈勃望远镜拍摄的深空场照片一样，韦伯此次拍摄到的数以万计的星系也都呈现了不同的形态，其中甚至还有因为拍摄方位问题而误入镜头的若干颗银河系内的恒星。

从星系天文学的分类上来看，此次照片中拍摄到的星系主要是以漩涡星系居多，不规则星系在其中的占比较小，和之前哈勃望远镜纯可见光波段的照片相比，此次韦伯由于具备了中红外和紫外波段拍摄的能力，所以在细节方面是超过哈勃的。

比如此次照片中最暗的星系，亮度只有肉眼可见下限亮度的十亿分之一，如果不是韦伯的话，天文学家还真不一定能发现它们。

与哈勃此前拍摄的哈勃深空场照片不同，韦伯望远镜此次选择观测的黄道北极区域，属于永远不会被太阳遮挡的区域，因此可以放心大胆的进行长时间连续曝光观测，进而发现许多新的星系天文现象，比如遥远星系内的超新星爆发事件，再比如星系中心区域的黑洞变化。

但在经历了哈勃深空场和韦伯深空场后，有一个问题仍然萦绕在天文学家脑海里，宇宙中究竟有多少个星系？

这个问题老实说并不好回答，因为宇宙这个概念对现如今的人类文明来说，只局限于直径930亿光年的可观测宇宙，这个区域内的星系只占了全宇宙星系总量的极小一部分。

根据哈勃望远镜之前拍摄的深空场照片内的星系数量，再结合宇宙学的各向同性原理，天文学家初步估算可观测宇宙内大约有2万亿个星系，之所以得到这个数据是因为哈勃极深场内有1万多个星系，而哈勃极深场只占了全天区面积的1270万分之一。

不过可观测宇宙这2万亿个星系，其实绝大部分都和地球失去了因果关系，即它们不论发生什么都影响不到地球，这是因为绝大部分星系和地球的距离已经超过了144亿光年，一旦超过这个距离，星系远离地球的速度就会超过光速，而宇宙中信息传递速度的上限就是光速，因此这些超光速远离地球的星系们就和地球永远没关系了。

目前可观测宇宙98%的星系和地球的距离都超过了144亿光年，且每年还会有新的星系超过这个距离，毫不夸张的说，地球正在被全宇宙孤立。

接着回到宇宙星系总量这个话题上，在知道可观测宇宙有2万亿个星系后，天文学家开始尝试估算可观测宇宙在整个宇宙内的占比情况，目前认为的是：可观测宇宙范围大约占了整个宇宙范围的251分之一，即整个宇宙至少有502万亿个星系。

不论是太阳系所在的银河系，还是银河系所在的本星系群，归根结底都只是宇宙的极小一部分，考虑到像太阳系和地球这种类型的组合在宇宙中并不少见，所以很多人都相信：宇宙中的智慧文明数量很可能比今天地球上的人口总量还多。

只不过想要真正有效探索全宇宙的话，就只能往超光速飞船或者虫洞上下功夫了，因为不超光速一切都是免谈。

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