地球之所以能够像现在这样充满生机,完全是因为太阳在不断地向地球提供能量,毫不夸张地讲,如果没有太阳的话,地球将很快转变成一颗冰冷死寂的星球。

尽管太阳对我们人类至关重要,但在银河系中,它却显得微不足道。
银河系是一个拥有1000-4000亿颗恒星的棒旋星系,其直径大约为10万光年,太阳则是位于银河系“猎户座旋臂”边缘位置的一颗普通的恒星。
对于我们人类而言,银河系庞大得令人发指,即使是离太阳最近的恒星,我们也没有办法飞到那里去。
然而在浩瀚的宇宙中,银河系也只不过是沧海一粟而已,观测数据显示,在可观测宇宙中存在着上万亿个星系,而银河系的大小在众多的星系中只能算是“中等偏下”的水平。
实际上,银河系的“邻居”——仙女座星系就要比银河系大很多。
仙女座星系距离我们约有254万光年,其直径约为22万光年,在观测条件良好的情况下,我们在地球上仅凭肉眼就可以看到它。
当然了,仙女座星系在宇宙中也算不上大,一般来讲,宇宙中的星系可分为小型的矮星系、中等大小的旋涡星系以及大型的椭圆星系,而仙女座星系和银河系都是属于旋涡星系。
也就是说,真正称得上巨大的星系,其实是宇宙中的那些椭圆星系,例如距离我们5000多万光年的“M87”星系,其直径就达到了大约50万光年。
那么宇宙中最大的星系是什么星系?与银河系相比大小如何呢?
目前已知的宇宙中最大星系是“IC 1101”星系,该星系同样也是椭圆星系,它位于室女座,距离我们大约有10.45亿光年,早在1790年,天文学家威廉·赫歇尔就发现了这个星系,不过当时的人们认为这应该是一片星云。
到了1932年,天文学家埃德温·哈勃才确认了“IC 1101”其实是一个星系,但他也没有意识到这个星系的巨大。
直到1991年,科学家才首次测量出“IC 1101”星系的大小,而测量结果是,这个星系的居然直径高达600万光年。
上图为“IC 1101”星系与银河系、仙女座星系以及“M87”星系的大致比例,可以看到,与它相比,银河系渺小得可怜。
需要指出的是,由于“IC 1101”星系与我们的距离太过遥远,因此它的实际大小至今仍然存在着一些争议,但即使是按照最低的估算值来看,这个星系的直径也在200万光年以上,它仍然是目前已知的宇宙中的最大星系。
根据测算,“IC 1101”星系至少拥有100万亿颗恒星,其数量远远地超过了银河系,除此之外,该星系的中心位置还存在着一个非常明亮的射电源,科学家据此推测,“IC 1101”星系的中心有一个超级黑洞,其质量至少是太阳质量的400亿倍,最高可达1000亿倍。
相比之下,银河系中心的黑洞质量只有太阳质量的400多万倍,与之相差了好几个数量级,同样渺小得可怜。
一个如此巨大的星系是怎么形成的?
人类对宇宙的了解并不是想象中的那么多,对于这种巨大星系的形成过程,科学家也只能提出一些假设,就目前来看,一个合理的解释就是,“IC 1101”星系位于星系密集的区域,它的“一生”中大部分时间都在与其它的星系发生碰撞与合并,而它庞大的体积正是来自于此。
其实星系的合并在宇宙中是比较常见的现象,比如说我们所处银河系就是一个典型的例子,观测数据表明,银河系和仙女座星系一直在互相靠近,从两者目前的运动状态来看,在大约40亿之后,它们就会发生碰撞。
计算机模型显示,在碰撞过程中,银河系和仙女座星系会多次穿过彼此,最终在引力的作用合并成一个巨大的椭圆星系,当然了,这个“新生星系”的体积仍然要比“IC 1101”星系小得多。
时至今日,“IC 1101”星系已经将其周围的星系吞噬殆尽,而它也演化成了一个“死气沉沉”的星系。
根据科学家的观测,“IC 1101”星系中的恒星大多数都非常古老,并且缺乏形成新恒星的气体和尘埃等物质,相信随着时间的推移,这个目前已知的宇宙中最大的星系将会逐渐变得黯淡,直到在人类的视野中消失(如果那时地球上还有人类的话)。
好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。
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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