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研究宇宙磁场的新突破,探索我们所处宇宙的真实模样?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-06

在宇宙的无垠星空中,揭示银河系磁场的神秘面纱一直是天文学家们不懈追求的目标。

最近,中国科学院国家天文台传来了令人振奋的消息:他们成功发现了银河系晕中存在的一个巨大磁环,这一重大发现为宇宙磁场的研究开辟了新的视角。

研究成果已经在国际著名学术期刊《天体物理学杂志》上正式发表,标志着中国在这一领域取得了重要的科研突破。

银河系作为我们的家园星系,其磁场结构的深入探索对于理解宇宙磁场的本质和演化规律至关重要。

在过去三十年里,科学家们通过观测银河系内外的脉冲星和射电源,以法拉第旋转效应为手段,不断探索银河系磁场的复杂结构。

韩金林等研究人员的努力使得他们能够准确测量出银河系盘区存在的大尺度磁场结构,但银晕磁环的真实面貌却一直是个谜。

为了解开这一谜团,科研团队采用了创新的方法:通过太阳附近脉冲星的法拉第旋转率作为本地星际介质的参考,并从银河系外射电源法拉第效应的数据中剔除这一贡献,从而精确测量银晕磁环的大小和强度。

在数据收集和分析阶段,科学家们充分利用了世界领先的射电望远镜 中国天眼 ,详尽收集相关数据并进行精确测量。

经过艰苦的努力和深入的分析,他们最终发现银晕中的巨大磁环从银河系中心6000光年处延伸至5万光年,同时揭示了太阳附近星际介质也是这一磁环的一部分。

韩金林研究员对此感到十分激动: 为了这项研究成果,我等了二十多年! 他强调,这一发现不仅验证了之前的理论预测,还为进一步理解宇宙磁场的起源和演化提供了关键线索。

未来,他们将继续深入研究银河系磁场的复杂结构,以期在宇宙磁场领域取得更多突破性成果。

这一重要的发现不仅是对科学研究的巨大贡献,也为人类对宇宙的探索和理解带来了新的希望和挑战。

随着技术的进步和研究的深入,我们对宇宙磁场的奥秘将逐步揭开,为未来的宇宙学研究开辟出新的道路和可能性。

当我们仰望星空时,那无垠深邃的夜空总是能唤起我们内心深处对宇宙的无限好奇与想象。

在这里,我们将一同踏上探索宇宙奥秘的旅程,试图揭开它真实的面貌。

一、宇宙的起点:大爆炸

宇宙的起源,被大多数科学家认可的理论是宇宙大爆炸。

这一理论描述了宇宙从一个极热、密集的状态开始,经历了漫长的膨胀过程,形成了我们今天所见的广袤宇宙。

大爆炸不仅解释了宇宙的诞生,还揭示了宇宙结构的基本规律和演化过程。

二、宇宙的构成:星系与星尘

仰望夜空,我们看到的星星并非孤立存在,它们聚集成群,形成了星系。

星系是宇宙中最大的天体系统,包括了无数的恒星、行星和星际物质。

在星系之间,弥漫着大量的星尘和气体,这些物质是新星星诞生的原始材料。

三、宇宙的尺度:无法想象的广阔

宇宙的尺度之巨大超乎人类的想象。

我们目前观测到的宇宙直径已达数百亿光年。

在这样的尺度下,地球和我们的太阳系显得微不足道。

正是在这些微小之中,孕育出了多样化的生命和复杂的文明。

四、宇宙的神秘现象:黑洞、暗物质与暗能量

除了星系和星尘外,宇宙还隐藏着许多神秘的现象。

黑洞是其中最神秘的天体之一,它因极强的引力场而闻名,甚至连光也无法逃脱其吞噬。

暗物质和暗能量则是宇宙中的另外两大谜题,它们占据了绝大部分的宇宙质量和能量,却至今未被直接观测到。

五、宇宙的未来:未知与探索

关于宇宙的未来,科学界的观点各异。

按照大爆炸理论,宇宙将继续无限膨胀,最终可能走向热寂。

但也有科学家提出宇宙可能经历周期性的膨胀与收缩,形成无尽循环。

无论如何,我们将继续探索这个神秘而美丽的宇宙。

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