(神秘的地球uux.cn)据美国宇航局(戈达德太空飞行中心):研究人员分析了美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据,确定了宇宙只有4亿至6亿年历史时可能正在活跃形成的三个星系。

韦布的数据显示,这些星系周围都是气体,研究人员怀疑这些气体几乎是纯氢和氦,这是宇宙中最早存在的元素。
韦布的仪器非常灵敏,能够探测到这些星系周围异常数量的致密气体。
这种气体最终可能会为星系中新恒星的形成提供燃料。
丹麦哥本哈根大学宇宙黎明中心天体物理学助理教授、主要作者卡斯珀·海因茨解释道:“这些星系就像是中性不透明气体海洋中闪闪发光的岛屿。
如果没有韦布,我们将无法观察到这些非常早期的星系,更不用说了解它们的形成了。
”
“我们正在远离星系作为孤立生态系统的画面。
在宇宙历史的这个阶段,星系都与星系间介质有着密切的联系,其细丝和原始气体的结构,”合著者、也是DAWN的博士生Simone Nielsen补充道。
早期宇宙中的星系形成(艺术家概念)。
这幅图显示了一个星系在大爆炸后仅数亿年就形成了,当时在再电离时代,气体是透明和不透明的混合物。
来自美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据显示,冷气体正在落在这些星系上。
图像:uux.cn/NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted(STScI)

在韦布的图像中,星系看起来像微弱的红色斑点,这就是为什么被称为光谱的额外数据对团队的结论至关重要。
这些光谱表明,来自这些星系的光正被大量的中性氢气吸收。
“这种气体一定非常广泛,覆盖了银河系的很大一部分,”合著者、DAWN教授Darach Watson说。
“这表明我们正在看到中性氢气聚集成星系。
这些气体将继续冷却、聚集并形成新的恒星。
”
宇宙在大爆炸后数亿年的一个被称为再电离时代的时期是一个非常不同的地方。
恒星和星系之间的气体在很大程度上是不透明的。
宇宙中的气体在大爆炸后大约10亿年才完全透明。
星系的恒星有助于加热和电离周围的气体,使气体最终变得完全透明。
通过将韦布的数据与恒星形成模型相匹配,研究人员还发现这些星系主要由年轻恒星组成。
Watson补充道:“我们看到大型气体库的事实也表明,这些星系还没有足够的时间形成大部分恒星。
”。
这只是开始
韦布不仅实现了推动其开发和发射的任务目标,而且正在超越这些目标。
“在韦布之前,这些遥远星系的图像和数据是不可能获得的,”合著者、DAWN副教授Ga1iel Brammer解释道。

“此外,当我们第一次看到这些数据时,我们对我们将要发现的东西有着很好的感觉——我们几乎是靠眼睛发现的。
”
还有许多问题需要解决。
具体地说,气体在哪里?有多少位于星系中心附近——或者星系外围?气体是原始的还是已经被较重的元素占据了?未来将有重大研究。
海因茨说:“下一步是建立星系的大型统计样本,并详细量化其特征的普遍性和突出性。
”。
由于韦布的宇宙演化早期释放科学(CEERS)调查,研究人员的发现成为可能,该调查包括望远镜NIRSpec(近红外光谱仪)的遥远星系光谱,并作为韦布早期释放科学计划的一部分立即发布,以支持此类发现。
这项研究已发表在2024年5月24日的《科学》杂志上。
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的空间科学天文台。
韦布正在解开我们太阳系中的谜团,展望其他恒星周围的遥远世界,探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。
韦布是由美国国家航空航天局及其合作伙伴欧空局和加拿大航天局领导的一个国际项目。
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