宇宙中出现骇人巨物

2021年,美国一个科学网站报道了一个出现在宇宙中的神奇现象,有个巨大的星系聚合体呈新月型,跨越了33亿光年,是人类已知的最大天体结构之一。
这个星体被称为巨弧,由众多的星系、星系群,还有气体、尘埃组成,离地球大概有92亿光年。
别看它离我们这么远,但它太大了,是人类能观测到的宇宙范围半径的十五分之一。
巨弧是英国中央兰开夏大学的天文研究者亚历克西娅.洛佩斯偶然间发现的,她本来是想测绘宇宙中12万个类星体的天象图,结果不小心发现了一个奇特的巨型结构,令她难以置信。
类星体是类似于恒星的高亮度天体,自发现以来就让天文研究人员一直感到困惑。
它距离人类非常遥远,其中高红移的类星体离地球的距离可以远到100亿光年以上。
值得一提的是,类星体虽然比星系小,但却能释放星系千倍以上的能量,让类星体拥有超常的亮度。
类星体的光穿过宇宙中复杂的物质时,会被它们吸收,留下深深浅浅的痕迹,所以即使相隔100亿光年,人类也能通过这些蛛丝马迹观测到它。
洛佩斯刚开始并不确定这些吸收了光留下的痕迹是什么,后来在其他研究人员的帮助下,他们才确定,这是个巨弧。
宇宙巨弧的早期发现
其实,这并不是人类第一次在宇宙中发现巨弧,早在1987年,美国就有两位天文学家林兹和佩特罗西安,在遥远的星系团中心发现过类似的巨型发光弧,宽度约30000光年,长度超过了300000光年,整体散发着蓝色的光。
当时天文学家以为那是大质量的恒星构成的,因为巨弧非常亮,颜色均匀,边缘清晰,还有端点,不可能是星系之间的碰撞造成的。
星系碰撞后会呈现出混沌状态,绝对不会排列的这么均匀。
他们还认为,如果这巨弧不是恒星,那就应该是星系团的气体纤维被压缩形成的。
但这些可能在当时都不确定,除非找到更多,距离更遥远的巨弧做进一步研究。
有意思的是,在此之前,天文学家几乎都认为宇宙巨弧不存在,因为它大让人无法想象。
对于自己想象不出来的东西,人类通常认为是不存在的,如果它存在,将会引发很大的问题。

宇宙模型出错
一直以来,大部分对宇宙有一定了解的人都认为,宇宙中的物质是均匀分布的,不可能出现这样大规模的聚集行为。
可是巨弧超越了人类已知的所有宇宙巨型聚合体,它就这样囤积在宇宙的不同区域中,表示宇宙的物质有些地方特别多,有些地方可能少到可怜。
人类现在用的宇宙模型是建立在物质分布均匀的基础上,因为建模型的时候,人类观测10亿光年范围的宇宙,发现其中的物质就是均匀分布的。
可现在,巨弧的存在打破了这一理论,挑战了某些天文学家关于宇宙的假设,过去的宇宙模型也不再适用了。
这不得不让人重新考虑,宇宙是否有什么特别的运作机制。
宇宙的运作方式
我们熟知的宇宙中,有各种各样的星体和天体。
星体有行星、恒星、彗星、褐矮星、小行星等,天体包括星体在内,还有星云、星系、星系团、超星系团等等。
这其中的每一种结构都有大小不一的情况,还有从属情况,比如,太阳系包含在银河系内,但除了太阳系,银河系中还有无数的星系和星团等。
在这些结构之外,还有更大的,由超星系团构成的丝状结构,这是宇宙中已知的最大结构。
另外,丝状结构之间还有空洞,空洞中只有很少或者完全没有星系。
这些天体在不停地运转期间又通过各自的引力互相吸引,比如月亮围绕地球转,地球又围绕太阳转。
除了地球,还有其他的行星围绕着太阳转,这是宇宙小范围内的运作方式。
要是飞出太阳系,会发现太阳系又围绕着银河系中心旋转,公转一周大约需要2.225亿年时间。
银河系中的其他星系也是如此转动,它们一起构成了整个银河系,这是稍大范围的运作方式。
再一层层往上走,更大的天体也是这样相互吸引、运转,只是人类目前的科技还找不到吸引这一切的宇宙中心在哪。
不过,天文学家倒是发现了另一种神奇的绳状结构。

据《自然天文学》刊登的一篇研究报告称,宇宙中有一根"宇宙绳",长度在1.6亿到2.6亿光年之间,它像我们扭动绳子那样旋转着,带动它内部的星系一起绕着某个中心轴在转动,速度能达到每秒100公里。
这条"绳子"的出现让人又迷惑了,因为它可能会改变宇宙起源论,再次颠覆人类的宇宙观。
宇宙起源观被颠覆
关于宇宙是如何起源的,说法很多,目前最主流的观点是:宇宙大爆炸。
这种观点认为,宇宙曾经有个炽热的奇点,大约137亿年前,这个奇点从热到冷演化,然后膨胀爆炸,从此便有了宇宙。
一些人认为,奇点爆炸后喷涌出了很多磁单极子,形成了宇宙的能量场;
一些人认为,宇宙形成初期有很多密集的小黑洞;
还有些则认为最初的宇宙是像面糊糊一样的混沌状,里面充斥着夸克和胶子。
那宇宙绳又是怎么回事?为什么说它改变了宇宙起源论呢?
1981年,有个叫维伦金的人发表了跟以上观念都不同的意见,他和他的团队认为,宇宙爆炸后应该是形成了无数条细长的管状结构,里面聚集着强大的能量,这就是宇宙绳。
宇宙绳很细,跟蜘蛛丝差不多,但它们大量地凑在一起,就有了一座大山一样的质量。
维伦金说,宇宙绳在宇宙中分布的稀疏且并不均匀,可能要200亿光年的距离才能碰到一根。
若它们碰巧在离我们几十亿光年的地方出现,那就很容易被观测到。
如果这种绳存在,它会让类星体的光发生偏离,让人在视觉上看到成对的类星体,现在,天文学家已经观察到6对维伦金说的类星体了,宇宙绳也找到了一根,难道,宇宙起源真的是维伦金所说的那样?
我们相信了很久的宇宙起源观可能被颠覆,宇宙的模型也在巨弧的存在下出了错,这说明,我们一直应用的引力理论可能因为宇宙中的运作方式不同,产生不均匀的情况。
还有,巨弧和宇宙绳等不同结构之间有没有联系,对宇宙有什么影响,能不能帮我们找出宇宙真正的起源?这些都需要继续探索,也许以后还有什么超乎想象的发现,让以前形成人类宇宙观的基础全部重新改写。
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.
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