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宇宙到底有多少星系用天文数据给出答案侦破纪实:比地球的沙子还要多

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-24

大家现在所看到的这张图片是在2015年由哈勃望远镜所拍摄到的仙女明星系图。

而在仙女明星系中的这个区域,图片长度就达到了41000光年左右。

这是哈勃望远镜,曾拍摄了400个区域,共记录了3700多张图片。

最终重叠拼接而形成的一张非常珍贵的宇宙照片。

从照片中大家可以看到密密麻麻的小亮点,但是这些小亮点可并不小。

它是一颗又一颗像我们太阳一样的太阳。

而据天文学家估算光是在这一片区域内至少就有1亿颗类似于我们太阳的太阳。

所以大家可想而知仙女明星系是一个多么庞大的星系。

但是它对于整个宇宙来说也非常渺小。

它和我们银河系同样是归属于本星系群的一个渺小星系。

本星系群的直径大约1000万光年左右。

我们大家都知道银河系的直径,保守的估算大约是十万光年左右。

我们脑补一下画面,本星系群又是一个多么庞大的宇宙系统。

在本星系群中又包含了50个和我们银河系以及仙女明星系类似的星系。

那么说到这里,大家可能会产生一个疑问。

在整个宇宙中又有多少个星系呢?

准确地说,到现在为止,天文学家也没有给出一个明确的数字。

因为宇宙到底有多大,我们现在还不得而知。

到现在为止,我们人类可观测的宇宙范围半径只有465亿光年。

而超出465亿光年之外的时空又是什么样子的?

我们现在还不得而知,在那个地方是否有更多的星系我们也不知道。

所以我们只能依靠现有的天文数据来给出大致的估算。

2003年哈勃望远镜对准天炉座的一小片区域进行了拍摄。

在经历达113天的拍摄之后,最终形成了一张非常珍贵的照片,它就是哈勃超级深场。

我们大家从这张照片中似乎就可以看到密密麻麻的星系。

据天文学家计算,哈伯超级深场这一片区域只占到了整个天空的1/1270万。

而在这一小片区域内就至少包含了1万个星系。

那么大家根据这一观测结果就可以大致地计算出在整个天空中至少包含了多少个星系。

通过计算我们可以得出至少包含1270亿个类似于我们银河系这样的星系。

而且在哈勃超级深场的图片中,每一个星系距离我们非常的遥远,至少在130亿光年之外。

后来哈勃望远镜又对准了南天的一小部分进行拍摄,在历时长达50天之后共拍摄下2000张左右的照片。

最终他们汇集成一张图片。

发现在照片中也至少存在1万个星系。

这张照片就是哈勃极端深空。

因此我们也可以猜测在整个天空中至少存在1000~2000亿颗类似于银河系一样的星系。

而由于科学技术的限制,观测仪器的落后,我们很有可能计算的结果要比真实数据少很多。

宇宙星系的数量可以用无限两个字来形容。

这似乎要比地球上沙子的数量还要多。

因为地球上沙子的数量终归是有限的,而且465亿光年之外的宇宙又是什么样子的?我们不得而知,用无限来对照有限。

似乎整个宇宙浩瀚无垠,永远不能用数字来估算。

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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