在建造过程中积累并吸积到迷你星系上的气体。

虽然根据理论和计算机模拟,星系就是这样形成的,但实际上从未见过。
来源:uux.cn美国国家航空航天局
(神秘的地球uux.cn)据哥本哈根大学:使用詹姆斯·韦伯太空望远镜,哥本哈根大学的研究人员成为第一个看到130多亿年前宇宙中最早的三个星系形成的人。
这一耸人听闻的发现贡献了有关宇宙的重要知识,现已发表在《科学》杂志上。
尼尔斯-玻尔研究所的研究人员在天文学史上首次见证了宇宙中三个绝对最早的星系的诞生,大约在133亿至134亿年前。
这一发现是使用詹姆斯·韦伯太空望远镜发现的,该望远镜为我们带来了地球上形成星系的首次“实时观测”。
通过望远镜,研究人员能够看到大量气体的信号,这些气体在建造过程中积累并吸积到一个迷你星系上。
虽然根据理论和计算机模拟,星系就是这样形成的,但实际上从未见过。
领导这项新研究的尼尔斯玻尔研究所助理教授卡斯珀·埃尔姆·海因茨说:“你可以说,这是我们见过的第一张星系形成的‘直接’图像。
尽管詹姆斯·韦伯之前向我们展示了处于进化后期的早期星系,但在这里我们见证了它们的诞生,从而见证了宇宙中第一个恒星系统的构建。
”。
宇宙大爆炸后不久诞生的星系

研究人员估计,这三个星系的诞生大约发生在大爆炸后4亿至6亿年,大爆炸就是这一切的开始。
虽然这听起来很长一段时间,但它对应于宇宙138亿年总寿命的前3-4%期间形成的星系。
宇宙大爆炸后不久,宇宙变成了一种巨大的不透明氢原子气体——不像今天,夜空中布满了一层轮廓分明的恒星。
Darach Watson副教授解释道:“在大爆炸后的数亿年里,在恒星和气体开始合并成星系之前,第一批恒星形成了。
这是我们在观测中看到的开始。
”。
星系的诞生发生在宇宙历史上被称为再电离时代的时刻,当时一些最早的星系的能量和光冲破了氢气的薄雾。
研究人员使用詹姆斯·韦伯太空望远镜的红外视觉捕捉到的正是这些大量的氢气。
这是迄今为止科学研究人员发现的对冷中性氢气最遥远的测量,氢气是恒星和星系的组成部分。
增加对我们起源的理解
这项研究由卡斯珀·埃尔姆·海因茨与哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所宇宙黎明中心的研究同事达拉赫·沃森、加布里埃尔·布拉默和博士生西蒙·维尔加德等密切合作进行,该中心的既定目标是调查和了解宇宙的黎明。
这一最新结果使他们更接近于做到这一点。

研究团队已经申请了詹姆斯·韦伯太空望远镜的更多观测时间,希望能扩大他们的新成果,更多地了解星系形成的最早时期。
Vejlgaard说:“目前,这是为了绘制我们对正在形成的星系的新观测结果,比以前更详细。
与此同时,我们一直在努力突破我们能看到的宇宙距离的极限。
所以,也许我们会走得更远。
”。
根据研究人员的说法,新知识有助于回答人类最基本的问题之一。
Brammer副教授总结道:“我们人类一直在问的最基本的问题之一是‘我们从哪里来?’在这里,我们通过揭示宇宙中一些最早结构产生的那一刻,拼凑出更多的答案。
这是一个我们将进一步研究的过程,直到我们有希望将更多的谜题拼凑在一起。
”。
这项研究由研究人员Kasper E.Heintz、Darach Watson、Ga1iel Brammer、Simone Vejlgaard、Anne Hutter、Victoria B.Strait、Jorry Matthee、Pascal A.Oesch、Pall Jakobsson、Nial R.Tanvir、Peter Laursen、Rohan P.Naidu、Charlotte A.Mason、Meghana Killi、Intae Jung、Tiger Yu Yang Hsiao、Abdullo'uf、Dan Coe、Pablo Arrabal Haro、Steven L.Finkelstein和Sune Toft进行。
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