这些气泡是巨大而神秘的结构,从银河系中心发出,在银河系平面上下延伸约2万光年。

这种奇怪的现象最初是在2010年发现的,伴随着高强度的伽马射线和X射线,肉眼不可见。
科学家猜测,伽马射线可能是被银河系中心的大黑洞吞噬的恒星发出的激波。
图解:困扰着天文学家的谜团之一就是像银河系这样的星团在以一种不能持续进行的速度下是怎样形成新的恒星的。
(NASA/JPL)
2.矩形星系
"看,天上那是什么!一个......长方形?天文学家定位到了一个星体,大约七千万光年远,外表很奇特:LEDAO74886星系的形状就像一个矩形。
虽然大多数星系都是圆盘形,三维椭圆形或者像不规则的气泡,这个似乎是规则的矩形或钻石一样的外观。
一些人猜测这种形状是由于两个螺旋形的星系撞击产生的,但是现在没有人知道确切的答案。
图解:星系LEDA 074886的假彩色图像资料图:阿利斯特·格雷厄姆日本斯巴鲁望远镜拍摄的照片
3.月球的磁场
有一个关于月球的谜团困扰了天文学家很久,甚至激发了小说《2001太空漫游》中被埋在地下神秘巨石的灵感。
这个谜团就是为什么只有月球表面的一些部分才像是有磁场的样子。
图解:月球表面的总磁场强度由探月者电子反射计实验得出。
最后,一些科学家认为可能有另一种解释。
在用电脑建模去分析月球表面之后,研究人员认为月球的磁场可能是一处遗迹,由4.5亿年前120英里那么宽的小行星撞击月球的南极形成的磁性物质。
另一些人认为磁场的形成可能会和另一些近期发生的小型撞击有关。
4.为什么脉冲星会有脉冲?
脉冲星是一种遥远的、快速旋转的中子星,它以一定的间隔发射出一束电磁辐射,就像旋转的灯塔光束扫过海岸线一样。
尽管1967年才发现第一颗脉冲星,科学家很久以来都非常困惑这些恒星为什么可以发出脉冲,并且什么东西会导致脉冲星间歇性停止发射脉冲。
图解:蟹状星云脉冲星的X射线/可见光波段合成图像
然而,在2008年,当一个脉冲星突然停止发射脉冲580天,科学家发现,那些发射脉冲与否的时间段是跟脉冲星自身电磁场让它的转速下降有关的。
天文学家现在仍然在尝试先理解为什么电磁场会发生波动。

5.什么是暗物质?
天体物理学家现在正在尝试观察暗能量的影响,这种能量大概占了全宇宙能量的70%。
但它并不是宇宙中唯一的黑暗物质:它大约有25%是由一种完全独立的物质组成,这种物质被称为暗物质。
图解:从引力透镜产生的效应,星系团CL0024+17内部被发现存在有一个暗物质圈,在这张哈勃太空望远镜像片里以蓝色显示出来。
暗物质对望远镜和肉眼不可见,它不吸收也不释放可见光(或者任何形式的电磁辐射),但是它的引力效应在星系和单个星团中尤为明显。
尽管暗物质已经被证实研究难度特别大,许多科学家推测它可能是由亚原子(一种与构成我们周围物质完全不同的东西)组成的。
6.银河回收
最近几年,天文学加注意到,星系形成新恒星的速度似乎比它们内部的物质消耗更多。
比如,银河系似乎每年都会将相当于一个太阳的尘埃和气体转化成新的恒星,但它没有足够的富余物质来维持这种长期的状态。
图解:霍格天体是著名的环星系,是非典型的星系。
它的外观不仅令业余天文学家感到兴趣,不平凡的结构连专业天文学家也为之着迷。
这个星系是在1950年由天文学家亚瑟·艾伦·霍格发现的,他认为这个拥有80亿恒星的天体若不是行星状星云,就是一个特殊星系。
关于遥远星系德另一个研究可能可以提供答案:天文学家注意到被星系喷出的气体会流回星系中心。
如果星系会回收这种气体去产生新的恒星,这可能是解决缺少原材料问题的一块"拼图"。
7.所有的锂都在哪里?
宇宙大爆炸模型表明锂元素在整个宇宙中应该都非常多。
因此,这个谜团就直截了当的出现了:并没有那么多锂。
通过观察古老的恒星(组成成分跟由大爆炸产生的恒星非常像),科学家们发现,那些恒星里面所含有的锂元素比预计的要少两到三倍。
新研究表明一些锂元素可能是被混合到了恒星中心,用望远镜看不见,但是另一些理论家觉得,假设中的亚原子粒子——轴子可能吸收了质子,并减少了大爆炸后产生的锂的数量。
8.有外星人吗?
1961年,天体物理学家弗兰克·德雷克得出了一个非常具有争议性的等式:通过将一系列关于外星生命的概率(宇宙中恒星的形成率,有行星的恒星的比例,有适合生命存在条件的行星的比例,等等)相乘得到。

他推测在其它行星上极其可能有高智商生命体存在。
但有一个问题是:尽管有罗斯威尔的阴谋论者(Roswell conspiracy theorists),我们至今还没有收到任何外星人的消息。
不过,最近发现的那些理论上可能孕育生命的遥远行星,增加了我们探测到外星人的希望,我们要做的,只是继续寻找。
9.宇宙会怎样终结?
大家都觉得宇宙是由大爆炸开始的。
但是它会怎样终结呢?基于一系列事实,理论家们认为宇宙命运的可能性有很多种完全不同的。
如果暗能量的总量不足以抵抗引力的压缩,整个宇宙就会坍缩成一个点——一个大爆炸的镜像,被称为大收缩(Big Crunch)。
图解:绘图显示,宇宙是否稳定,还是只是长寿泡沫,这要依希格斯玻色子与顶夸克的质量而定。
直至2012年为止,从兆电子伏特加速器与大型强子对撞机实验数据得到的2σ椭圆,仍旧允许这两种可能结局。
然而,最近的发现表明大收缩发生的可能性小于大寒(Big Chill):暗能量迫使宇宙缓慢、渐进地膨胀,剩下的只有燃烧殆尽的恒星和死去的行星,在接近绝对零度的温度上徘徊。
如果有足够的暗能量来压倒所有其他的力,大撕裂的场景就会发生,所有的星系、恒星甚至原子都会被撕裂。
10.多个宇宙
物理学家猜测,我们的宇宙不会只有一个。
这个想法是,我们的宇宙存在于一个气泡中,多个不同的宇宙包含在它们自己独特的气泡中。
其它宇宙,他们的物理构成或者所遵循的物理定律都可能与我们非常不同。
图解:"泡沫宇宙"示意图,宇宙1到宇宙6各自有自己的物理常数,我们的"宇宙"不过是其中的一个"泡沫"而已
尽管该理论与科幻小说相似,天文学家现在正在寻找证据:大爆炸遗留下来的宇宙背景辐射中的圆盘形图案,它可能表明与其他宇宙的碰撞。
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