两个被称为NGC 7733和NGC 7734的棒旋星系正在合并。

下星系的上臂上方有一个尘土飞扬的结,这标志着第三个星系伴星。
(图片来源:uux.cn欧洲航天局/哈勃和美国国家航空航天局,J.Dalcanton,暗能量调查/DOE/FNAL/NOIRLab/NSF/AURA;
致谢:L.Shatz)
(神秘的地球uux.cn)据美国太空网(Paul Sutter):我们认为星系是古老的。
我们自己的银河系形成于136亿年前,詹姆斯·韦伯太空望远镜使我们能够追溯到早期宇宙中的一些最早的星系。
但星系今天还在诞生吗?
这是一个有趣的问题,因为它让我们深入了解星系形成的混乱、复杂、美丽的过程。
让我们来看看可能性。
第一个答案:否
星系很容易识别。
它们是恒星、气体和暗物质的大型集合。
它们在很大程度上彼此不同;
一个典型的星系大约有10万光年宽,而星系之间的典型距离大约是100万光年。
有时,星系会在星团内合并或聚集在一起,但除了少数例外,我们可以在很大程度上将一个星系与另一个星系分开。
它们就像农村的城镇:城镇之间的距离比城镇本身大,所以很容易被发现和定义。
有时,城镇会彼此相邻,有时,一个庞大的城市会吞噬它的邻居。
但总的来说,一个城镇只是一个城镇。
然而,定义星系的起点是另一回事。
星系在早期宇宙中是通过一个渐进的过程出现的,这个过程可以追溯到大爆炸的第一秒。
当时,密度高于平均水平的小口袋出现了,并在接下来的数亿年里稳步增长。
起初,只有暗物质才能涌入,因为常规物质正忙于与自身纠缠。

但一旦暗物质的口袋变得足够大,它们就会吸引周围的常规物质。
随着规则物质的聚集,它被压缩、破碎,并为第一批恒星提供了光。
这些原星系继续消耗更多的气体,与邻居合并,并成长为我们今天看到的完全形成的星系。
所以,从很多意义上说,今天没有新的星系出现。
建造它们的过程——将它们播种为密度的微小差异或暗物质的初始聚集——已经结束,这一行为发生在古代宇宙中,而且再也没有发生过。
在当今的宇宙中,不再有原星系——不再有等待压缩和创造新星系的气体云。
说到星系,我们看到的就是我们得到的。
第二个答案:是
但这只是定义星系起源的一种方式。
我们还可以看看另一个关键步骤:第一批恒星的出现。
回到城市的类比,一个城市最初规划的时间——用边界标记和测量线定义的轮廓——和第一批人开始搬进来的时间是有区别的。
如果我们只关注恒星的形成,我们会发现这是一个持续的过程,甚至延续到现代宇宙。
近年来,天文学家对一种名为恒星质量函数的测量方法有了详细的了解。
这是一个基本的人口统计,描绘了每个星系中有多少恒星在发光,或者换句话说,在宇宙的不同时期,每个星系中恒星的质量是多少。
恒星只占星系质量的一小部分;
其余的则是暗物质和随机气体团。
然而,恒星造就了星系,它们比任何其他星系成分都更容易观察。

随着对宇宙中星系进行采样的新调查,天文学家最近发现恒星质量函数正在全面上升。
这意味着,与数十亿年前相比,现在有更多的小星系、中星系和大星系。
新的小星系不是来自暗物质种子中的原星系的出现;
它们已经是刚刚开始恒星形成的物质团块。
另一方面,较大的星系主要是由较小星系的持续合并所驱动的。
它不会永远持续下去
因此,至少在一个重要方面,随着新一轮恒星形成,新的星系继续出现在宇宙舞台上。
它们一直都在那里,在那里闲逛了数十亿年,但它们现在才显现出来。
这个过程是可行的,因为恒星形成的效率非常低。
星系内的大部分气体永远不会变成恒星,它可以在不消耗太多物质的情况下持续很长时间,而且星系从一开始就需要很长时间才能开始。
但遗憾的是,聚会不会永远持续下去。
问题是,不仅宇宙在膨胀,而且它的膨胀也在加速——这种效应被称为暗能量。
尽管天文学家仍然不知道是什么驱动了暗能量,但他们可以观察到它对宇宙其他部分的影响:它正在将一切都分散开来。
随着宇宙的老化,物质越来越难聚集在一起形成新的星系并推动恒星的持续形成。
事实上,恒星形成的高峰期已经过去了数十亿年。
虽然新的星系继续发光,但出现的速度正在放缓,每年出现的新星系越来越少。
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