在16.8萬年前，大麥哲倫星云內(nèi)的一顆恒星發(fā)生了超新星爆炸，爆炸將原子碎片以接近光速的速度拋射到星際空間中。這些碎片包括在爆炸中發(fā)射的無數(shù)中微子，它們在1987年撞擊到地球上。日本的科學(xué)家們非常幸運(yùn)地能夠探測到其中的11個(gè)中微子。雖然這些中微子看起來微不足道，但天文學(xué)家通過這些中微子透鏡看到超新星的事實(shí)，幫助開啟了多信使天文學(xué)的新時(shí)代。

重力波望遠(yuǎn)鏡、調(diào)整到不同電磁頻率的望遠(yuǎn)鏡和中微子可以一起使用來研究和理解宇宙中最極端和神秘的事件。但不僅如此，中微子還為我們提供了探測那些對光無法穿透的物體的機(jī)會(huì)。由于中微子與物質(zhì)的相互作用極其微弱，它們可以穿過從星云到恒星甚至整個(gè)行星的一切。這是因?yàn)樗鼈冎慌c兩種基本力相互作用，即弱力和引力。這種顯著的穿透能力使它們成為探測宇宙早期時(shí)刻的強(qiáng)大工具。

在大爆炸之后約一秒鐘形成物質(zhì)后，早期宇宙中高能粒子和光子的極高密度使得宇宙在數(shù)十萬年內(nèi)完全不透明。這意味著光無法穿透宇宙早期的等離子體，我們無法通過傳統(tǒng)的依靠光子的望遠(yuǎn)鏡來觀測那個(gè)時(shí)期。然而，科學(xué)家們需要一種不同的方法來研究并觀察更早的宇宙時(shí)刻，而中微子就扮演了重要的角色。

大爆炸發(fā)生不到一秒鐘后，中微子和反中微子只是炙熱的宇宙湯中的一部分，它們相互碰撞和散射，并與其他物質(zhì)相互作用，因?yàn)橛钪嬷械囊磺腥匀环浅３錆M能量。然而，大約在一秒鐘左右，宇宙中的溫度降低到100億攝氏度，粒子相應(yīng)地減速。最終，它們的速度足夠慢，以至于中微子可以逃逸并找到穿過其他粒子交錯(cuò)的路徑。它們不再與物質(zhì)或光相互碰撞，因此可以自由地在宇宙中留下它們經(jīng)過的痕跡。

因此，如果我們能夠找到這種被科學(xué)家稱為宇宙中微子背景的痕跡，那將代表宇宙在僅有一秒鐘時(shí)的圖像，將我們的天文觀測能力向過去延伸了約380,000年。但是，如果這些來自宇宙起初的中微子存在，它們比高能中微子更加難以捉摸。與每立方厘米空間中的1000億高能中微子相比，據(jù)認(rèn)為來自宇宙起初時(shí)期的中微子只有約300個(gè)。

要直接探測到它們，我們需要建造具有比現(xiàn)有儀器精度高上億倍的設(shè)備，或者以某種方式探測它們對宇宙產(chǎn)生的影響，因?yàn)楫?dāng)它們逃離時(shí)，作為首批穿越不透明宇宙的物質(zhì)，這些微小的粒子預(yù)計(jì)會(huì)在它們后面留下微型音爆。這會(huì)從根本上改變物質(zhì)和能量的分布。一些空間區(qū)域會(huì)變得稍微熾熱，而一些區(qū)域會(huì)稍微冷卻，這種干擾會(huì)在138億年的時(shí)間內(nèi)被宇宙的膨脹放大成更大尺度的結(jié)構(gòu)。如果我們能夠解碼一些這種大尺度結(jié)構(gòu)返回到今天的星系分布中，那么我們也許能夠聆聽到一個(gè)僅有一秒鐘的宇宙的回響。這不是唯一一個(gè)可能起源于宇宙誕生1秒鐘時(shí)的現(xiàn)代謎團(tuán)。

坦618，它距離我們約182億光年，亮度是太陽的140萬億倍，是已知宇宙中最亮的物體之一，被認(rèn)為年齡接近110億歲。盡管它的光度令人難以置信，但實(shí)際上它是宇宙中最大的黑洞之一，被認(rèn)為是一個(gè)位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞，它的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了它周圍數(shù)萬億顆恒星。

坦618的質(zhì)量約為我們太陽的660億倍，比銀河系中心的黑洞“人馬座A星”質(zhì)量大15000倍以上。事實(shí)上，這個(gè)單個(gè)黑洞比銀河系中所有恒星的總和還要重。物質(zhì)以每秒超過10,000公里的速度墜入其中，引起強(qiáng)烈的加熱，使得它的吞噬盤中的注定材料發(fā)出明亮的光芒，盡管其中心有一個(gè)吞噬光線的黑暗之心。坦618可能是我們找到的最大黑洞。

在星系中心潛伏的這些超大質(zhì)量黑洞并不是唯一的巨頭，它們的質(zhì)量超過了太陽的十萬倍，是大型星系的常見特征，被認(rèn)為對星系的形成和演化有著重要影響。這些熾熱的巨大黑洞本身被認(rèn)為通過吞噬星際物質(zhì)增長，但有關(guān)這些超大質(zhì)量黑洞的出現(xiàn)時(shí)間似乎有些不太合理。

當(dāng)天文學(xué)家觀測天空時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這些巨大的黑洞出現(xiàn)在大爆炸之后僅幾百萬年的時(shí)間內(nèi)，盡管根據(jù)我們的模型，早期宇宙并不具備足夠的恒星數(shù)量來供養(yǎng)這些巨大的黑洞。我們發(fā)現(xiàn)的一些超大質(zhì)量黑洞在宇宙形成后不到十億年的時(shí)間里就增長到了比我們太陽的質(zhì)量大十億倍的程度，而根據(jù)恒星形成模型，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)只可能有大約10萬個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞形成。

這個(gè)難題的一個(gè)潛在解決方案可以在我們意識到這些超大質(zhì)量黑洞之前很多年前就找到。1971年，斯蒂芬·霍金提出了另一種黑洞形成的方式，無需任何前體恒星，而是通過早期宇宙中的密度波動(dòng)形成的。他稱之為原初黑洞。在宇宙仍然是充滿光子和物質(zhì)的高能等離子體的輻射主導(dǎo)時(shí)期，主要的不均勻性實(shí)際上就是物質(zhì)的團(tuán)塊，這些團(tuán)塊形成于膨脹和隨后的重新加熱中的量子不規(guī)則性。

宇宙固有的引力將作用于這些密度對比，將大片的氣體收縮在早期宇宙的各個(gè)地方。然而，在大爆炸之后只有大約一秒的時(shí)間窗口可以發(fā)生這種情況，之后宇宙膨脹并冷卻到一個(gè)大小，引力無法再有效地將物質(zhì)聚集到這些黑洞中。之后，宇宙必須等待數(shù)百萬年，直到恒星死亡形成新的黑洞。但是這些原初黑洞可能是我們今天探測到的無法解釋的黑洞的種子。問題是，盡管這個(gè)理論似乎符合我們對早期宇宙中物質(zhì)行為的理解，但是我們對它們的具體情況以及它們在那一秒鐘的時(shí)間窗口內(nèi)可能有多大范圍的增長知之甚少。

從數(shù)學(xué)上講，原初黑洞形成得越晚，它們就越大，因此對它們的大小的估計(jì)差異巨大，從一萬分之一紙夾質(zhì)量的微小顆粒到比我們的太陽重一百萬倍的巨獸。那么，如果它們存在，我們?nèi)绾握业讲⒆R別它們呢？在1970年代，斯蒂芬·霍金還推測，黑洞不僅僅會(huì)吞噬物質(zhì)并變得越來越大，他認(rèn)為它們會(huì)通過后來被稱為霍金輻射的方式失去部分質(zhì)量。這種質(zhì)量損失在黑洞越小的情況下越快，而輻射的失控加速最終會(huì)導(dǎo)致黑洞爆炸，相當(dāng)于一百萬兆噸的氫彈爆炸。

任何質(zhì)量小于1000億千克的黑洞都可能在宇宙的年齡內(nèi)逐漸消失。因此，科學(xué)家們已經(jīng)開始利用空間中的費(fèi)米伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡等儀器尋找這些特征性的爆炸性死亡，其他尋找這些難以捉摸的原初種子的潛在方法包括尋找恒星和星系的微透鏡效應(yīng)和放大效應(yīng)，以及試圖檢測被困在原初引力井中的致密恒星的毀滅。

然而，到目前為止，所有這些研究只能排除某些大小范圍，留下了一個(gè)越來越小的可能性范圍，即原初黑洞的大小和形成時(shí)間。

盡管天文學(xué)家們尚未放棄希望，下一代高科技望遠(yuǎn)鏡將繼續(xù)進(jìn)行搜索，比以往任何時(shí)候都具有更廣泛和更精確的范圍。

激光干涉空間天線（Lisa）將在下一個(gè)十年內(nèi)發(fā)射，繼續(xù)在空間中尋找引力波，其中一些引力波可能直接來自自宇宙形成之初不到一秒的時(shí)間內(nèi)就開始在宇宙中漫游的原始黑洞。

在2022年12月5日，加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火設(shè)施的腹地，人類取得了一項(xiàng)非凡的成就。實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們專注于一個(gè)厚度為一厘米的金色圓柱內(nèi)的192臺激光，其中包含一個(gè)燃料顆粒，大小相當(dāng)于胡椒粒，其中含有氘和氚兩種同位素。當(dāng)激光能量擊中膠囊的壁面時(shí)，將其加熱至約300萬攝氏度，比太陽表面溫度更高，導(dǎo)致其釋放出X射線。在圓柱內(nèi)部，這些強(qiáng)大的X射線轟擊顆粒表面，并以每秒400公里的速度壓縮燃料。燃料迅速崩塌，在不到十億分之一秒的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了百億倍大氣壓力。氘和氚的原子融合在一起，轉(zhuǎn)化為氦，同時(shí)釋放出高能中微子和其他能量?？偣灿?/span>2.05兆焦耳的能量進(jìn)入圓柱體，而3.15兆焦耳的能量則由核聚變反應(yīng)產(chǎn)生。

這是近70年來科學(xué)家們首次成功引發(fā)了一次具有生產(chǎn)力的核聚變反應(yīng)。核聚變本身并不新鮮，自從20世紀(jì)50年代以來，人類一直在制造具有致命威力的聚變武器，但這次2022年的反應(yīng)是我們首次創(chuàng)造了比投入更多能量的聚變反應(yīng)，大約50倍的能量增益足以燒開約20個(gè)水壺。

這一突破對于核物理學(xué)來說是重大的，然而這個(gè)過程在宇宙的每顆恒星的核心中自然進(jìn)行了數(shù)十億年。不僅如此，宇宙的物理學(xué)在它的第一分鐘內(nèi)就解釋了這種聚變。

人類長期以來一直對于將一種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)的神奇行為著迷，無論是從空氣中產(chǎn)生一束花朵，還是將基本金屬煉成寶貴的黃金，沒有什么比從平凡之物中獲得新奇事物的想法更能引起我們的興趣。早期的宇宙充滿了這樣的轉(zhuǎn)變，而不穩(wěn)定的基本力推動(dòng)了混亂的身份交換，但這樣的轉(zhuǎn)變在我們周圍的現(xiàn)代宇宙中仍在繼續(xù)發(fā)生，由弱力調(diào)節(jié)的放射性衰變會(huì)導(dǎo)致原子核破裂和變形，使元素轉(zhuǎn)化為相對質(zhì)量較小的同位素，遵循正常且可預(yù)測的時(shí)間尺度。

這種核裂變在各種元素中發(fā)生，從用于碳定年的碳-14到用于醫(yī)學(xué)成像的锝-99，再到用作核反應(yīng)堆燃料的鈾-235。這種放射性衰變是由不穩(wěn)定的原子核引起的，通常在最常見的環(huán)境條件下會(huì)自發(fā)發(fā)生。但是，作為另一種核轉(zhuǎn)化形式，核聚變會(huì)使原子核增加其質(zhì)量并向周期表上升，這更難以實(shí)現(xiàn)。所有原子的身份都由其核內(nèi)質(zhì)子和中子的數(shù)量確定。氫只有一個(gè)質(zhì)子，但存在具有不同質(zhì)量、具有不同中子數(shù)量的同位素變體。氫-1（普通氫）只有一個(gè)質(zhì)子，氘（重氫）有一個(gè)額外的中子，使原子的相對質(zhì)量加倍，而氚（氚）有兩個(gè)中子，使總相對質(zhì)量達(dá)到三個(gè)。

只有在添加另一個(gè)質(zhì)子時(shí)，元素的身份才會(huì)改變。兩個(gè)質(zhì)子構(gòu)成一個(gè)氦核，氦-3具有一個(gè)中子，而最穩(wěn)定的氦-4具有兩個(gè)中子。強(qiáng)核力是將所有強(qiáng)子結(jié)合成穩(wěn)定原子核的代理，但由于質(zhì)子共享輕微正電荷，它們會(huì)被另外四個(gè)基本力之一的電磁力推開，因此在強(qiáng)膠子能夠?qū)⑺鼈儽３衷谝黄鹬?，需要?qiáng)烈的熱量和物理壓力，例如在恒星核心或放射金膠囊內(nèi)所發(fā)現(xiàn)的條件，使質(zhì)子彼此靠近到足夠距離，以克服其相互排斥的電磁力和使元素融合為新物質(zhì)。

要使更重的元素組合許多十個(gè)質(zhì)子在一起，需要更極端的宇宙事件，如超新星或恒星合并。盡管科學(xué)家們努力在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制這個(gè)過程，但他們對恒星爐內(nèi)核聚變的工作原理有著很好的理解，可以從簡單的氫和氦中創(chuàng)建新元素，他們甚至見證并理解了這個(gè)過程的起初階段，即所謂的失敗恒星褐矮星內(nèi)部。

褐矮星是由氣體組成的巨大天體，比類似木星的氣體巨星大，但比活躍的恒星小。在它們內(nèi)部，沒有足夠的熱量和壓力可以使輕量級的普通氫聚變成氦，而是通過使用較重的重氫作為中間體來完成這一過程。然而，所有這些過程都無法解釋較大的重氫和氦的原子首次從何而來。

要回答這個(gè)問題，我們需要回溯到星體形成之前、恒星核聚變之前的宇宙的第一分鐘，當(dāng)時(shí)宇宙的平均溫度降到約1000萬攝氏度左右，大爆炸之后約一微秒后，宇宙終于足夠冷卻以使夸克結(jié)合成質(zhì)子和中子，這是所有元素的構(gòu)建基塊。但是，在我們看到第一顆星開始發(fā)光的前一億年的時(shí)間間隔中，不存在這些核聚變的核心之間如何組合的問題。

直到1948年，美國的博士生拉爾夫·阿爾法（Ralph Alpha）與他的導(dǎo)師喬治·伽莫夫（George Gamoff）提出了一種后來被稱為宇宙大爆炸核成因論的機(jī)制。這是一個(gè)大膽而富有靈感的理論，但阿爾法的工作的杰出之處在于甘莫夫堅(jiān)持在他們的重要論文中加入另一位與其沒有任何關(guān)系的作者。

用他的話說，只由阿爾法和甘莫夫簽署的文章似乎對希臘字母來說不合適，所以在準(zhǔn)備發(fā)表稿時(shí)插入了漢斯·貝塔博士的名字。因此，阿爾法貝塔伽莫夫論文成為了關(guān)于星體形成之前核聚變的權(quán)威論文，至今為止，為我們理解宇宙開始時(shí)的高溫如何通過氘中間體將氫轉(zhuǎn)化為氦提供了基礎(chǔ)。

普通氫是最輕的氫的變種，由一個(gè)質(zhì)子組成，因此，一旦夸克結(jié)合成質(zhì)子，這些氫核就存在了，盡管重要的是要注意，在約10秒鐘之后，中性電荷的氫原子（同時(shí)具有質(zhì)子和電子）才會(huì)形成。宇宙的溫度降低到足夠低，以便一些由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成的氘核形成，但在這種高溫的宇宙湯中，溫度和粒子能量仍然很高，以至于氘核是不穩(wěn)定的，如果它們被光子擊中，這在這樣的密度下是不可避免的，這些第一批復(fù)合核會(huì)再次分離，物理學(xué)家稱之為氘瓶頸。

直到另外300秒后，溫度降低到足夠使氘變得更加穩(wěn)定，并形成自然元素。首先是具有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的氘能夠在整個(gè)宇宙的巨大壓縮力下與單個(gè)質(zhì)子聚變，這是完全新的穩(wěn)定元素氦3。從這點(diǎn)開始，下一個(gè)宇宙創(chuàng)造物就是更常見的氦-4，它由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，氦-4核是現(xiàn)有的最穩(wěn)定的原子核，也是所有元素中最難分解的。由于這個(gè)原因以及在那最初的幾百秒鐘內(nèi)存在的條件，早期宇宙中的大多數(shù)自由質(zhì)子都被吞噬并形成氦，沒有繼續(xù)聚變。

即使在這個(gè)充滿能量的氦元素創(chuàng)造之后的138億年里，經(jīng)歷了無數(shù)恒星的誕生和死亡，宇宙仍然含有約23%的氦。單憑這個(gè)觀察結(jié)果，就充分證實(shí)了阿爾法理論，并且在這里我們看到了宇宙初始條件的另一個(gè)巧妙微調(diào)的例子。我們已經(jīng)知道，如果質(zhì)子與中子的比值不同，宇宙中的大部分普通物質(zhì)將會(huì)衰變成無電荷、不活躍的中子和氦。但是即使有了質(zhì)子與中子的比值，如果宇宙中的物質(zhì)在宇宙大爆炸核合成時(shí)更加緊密，那么會(huì)形成更多的氦。

宇宙主要由氦組成的不活躍性將意味著此后幾乎不可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這再次導(dǎo)致了一個(gè)沒有恒星、沒有星系和沒有我們的宇宙的荒涼前景。然而，幸運(yùn)的是，情況并非如此。盡管許多強(qiáng)子形成了穩(wěn)定的氦核，但宇宙仍然充滿了潛在的能量，可以用于進(jìn)一步的核聚變，現(xiàn)在的競賽就是看在宇宙環(huán)境能量下降得太遠(yuǎn)之前能夠創(chuàng)造出多少新的元素。最終，在激烈的宇宙核合成持續(xù)約1200秒（相當(dāng)于宇宙存在的僅僅20分鐘）之后，核反應(yīng)爐最終停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

從人類的標(biāo)準(zhǔn)來看，它仍然極其熾熱，但對于進(jìn)一步形成核心來說已經(jīng)太冷了，因此在這一點(diǎn)上，只存在四種元素：氫、氦、鋰和鈹。由于鈹核的短暫穩(wěn)定性，只有前三種能夠存活足夠長的時(shí)間以見證第一顆恒星的誕生，并成為創(chuàng)造出現(xiàn)代宇宙中的其他98種元素的最終燃料。在這個(gè)階段，每個(gè)氦核周圍有12個(gè)氫核，每個(gè)組合物質(zhì)粒子周圍有十億個(gè)光子，但是憑借這些基本成分，其他一切都被鋪設(shè)好了。即使在2022年加利福尼亞州的科學(xué)家們將氘和氚聚變在一起的過程中產(chǎn)生了新的成分，這些氘和氚本身也是在138億年前新生宇宙的熾熱環(huán)境中形成的。

宇宙中的生命是化學(xué)的奇跡，據(jù)我們所知，這個(gè)化學(xué)奇跡只在一個(gè)無名濕潤巖石行星上的一個(gè)普通黃星邊緣的銀河系較小螺旋臂的內(nèi)側(cè)發(fā)生過，但是活著的事物是如何登上地球的呢？盡管健康的化石記錄可以追溯到大約30億年前，生物起源的這一刻——生命的火花——卻消失在時(shí)間的迷霧中。生物學(xué)家一致認(rèn)為，生物是由碳、氧和氫組成的有機(jī)分子構(gòu)成的。

此外，他們還發(fā)現(xiàn)所有生物共享一種常見的化學(xué)指導(dǎo)手冊，即DNA和RNA，它們本身由稱為核堿基的重復(fù)單元組成。胞嘧啶、鳥嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶提供了一種通用語言，可以編碼有關(guān)如何生長葉片、鰭或毛囊的信息。但是這些分子最初是從哪里來的呢？有人想象，新形成的地球上溫暖而富有潛力的化學(xué)環(huán)境為從頭開始組裝有機(jī)分子和核堿基提供了理想條件，但還有一種替代理論認(rèn)為，生命的成分并不是在地球上創(chuàng)造的，而是在星際空間的深處——星際空間的深處確實(shí)發(fā)現(xiàn)了有關(guān)生命物質(zhì)的令人信服的證據(jù)。

1969年，美國天文學(xué)家在西弗吉尼亞州格林班克的國家射電天文臺工作時(shí)，在星際空間深處探測到了含有碳、氫和氧的甲醛分子的特征振動(dòng)，之后又發(fā)現(xiàn)了許多其他復(fù)雜的分子?？茖W(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)確定在星際云層內(nèi)以及包圍恒星的物質(zhì)殼中存在著250多種有機(jī)分子，包括醛、醇、酸和胺，這些都是生命中更大分子的基本構(gòu)建模塊，它們在宇宙無生命的邊緣地帶潛伏著。關(guān)于外層空間具有帶來生命的潛力的線索甚至可以追溯到1864年，5月14日晚上8點(diǎn)過后不久，一顆隕石在法國南部的奧爾日附近墜落，成塊地分散著約20塊，當(dāng)時(shí)被稱為奧爾日隕石?；厥蘸头治鰥W爾日隕石的科學(xué)家報(bào)告了與地球上的有機(jī)物質(zhì)非常相似的成分，這引發(fā)了關(guān)于這些有機(jī)物質(zhì)是否可能具有生物起源的激烈辯論，但沒有發(fā)現(xiàn)任何可辨認(rèn)的生物結(jié)構(gòu)。

雖然當(dāng)時(shí)的流星經(jīng)過近百年后使用更現(xiàn)代的儀器和技術(shù)重新分析，得出這樣的結(jié)論變得不太可能，但化學(xué)家們?nèi)匀桓械襟@訝，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)在DNA和RNA中找到的腺嘌呤和鳥嘌呤這兩種核基是完全相同的。隨后對全球其他有機(jī)質(zhì)豐富的隕石進(jìn)行的研究也發(fā)現(xiàn)了地球上其他生命核基，以及幾種在我們的生物組成中不存在的核基。

至于這個(gè)問題的明確答案尚未揭示，但迄今為止的觀察至少指向了一個(gè)確定的事實(shí)：在沒有特殊挑釁或鼓勵(lì)的情況下，宇宙本身具有構(gòu)建分子和進(jìn)行驚人化學(xué)反應(yīng)的能力。這種太空化學(xué)正是在宇宙剛剛開始不到十萬年后的初期階段發(fā)生的，大爆炸核合成過程中激烈的元素創(chuàng)造活動(dòng)在僅僅20分鐘后就停止了。隨著宇宙的膨脹和冷卻，周圍環(huán)境的能量不再足夠高以維持核聚變，但條件仍然極端。整個(gè)宇宙仍然比我們呼吸的空氣密集，溫度仍然過高，輕質(zhì)電子無法放慢速度以被新形成的原子核捕獲。宇宙中的能量仍多于物質(zhì)，以熱離解等離子體的形式存在，還需要數(shù)萬年的冷卻才能開始發(fā)生任何變化。然而，在這個(gè)混亂的過程中確實(shí)發(fā)生了一些事情。

1925年的實(shí)驗(yàn)室中首次創(chuàng)造的氦氫化物是氦與氫結(jié)合的不穩(wěn)定離子，自然界中很少見。1978年，明尼蘇達(dá)大學(xué)的天體化學(xué)家約翰·H·布萊克提出，在太空中可以大量發(fā)現(xiàn)這種離子，特別是在行星狀星云中，這些星云是紅巨星在晚期生命階段的能量爆發(fā)形成的。他預(yù)測，在這種環(huán)境中，會(huì)存在一個(gè)由中性氫云周圍的電離氦薄層，氦離子迫切需要電子以中和其電荷，因此它們會(huì)從唯一的可用來源中，也就是氫中竊取一個(gè)電子。

在超熱的星云中，這兩者之間的結(jié)合最終會(huì)導(dǎo)致氦氫化物離子的形成。然而，這種分子一直難以捕捉，長期的搜尋屢屢以令人沮喪的失敗告終。直到2019年，一座創(chuàng)新的望遠(yuǎn)鏡設(shè)法實(shí)現(xiàn)了看似不可能的事情。如今，大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡要么位于地面上，要么位于高山上。

山頂可避免最嚴(yán)重的光污染、天氣和大氣扭曲問題，或者將望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中，完全擺脫這些問題，使其繞地球或太陽軌道運(yùn)行。但是，索非亞天文臺采取了不同的做法。它由一個(gè)2.7米寬的鏡面望遠(yuǎn)鏡組成，該望遠(yuǎn)鏡指向一架特殊改裝的波音747飛機(jī)的后門，飛行高度超過43,000英尺。

在這個(gè)高度上，與望遠(yuǎn)鏡連接的儀器可以享受到太空望遠(yuǎn)鏡的許多好處，因?yàn)樗鼈儠?huì)被抬升到地球大氣層中大部分水分之上，從而允許它們探測到通常被水蒸氣吸收的光波長，而且關(guān)鍵是，連接到遠(yuǎn)紅外接收器的望遠(yuǎn)鏡具有足夠的分辨率，最終可以在深空中終于捕捉到中等氫化離子微弱的重疊信號。

最后的探測結(jié)果來自對一個(gè)被指定為NGC 7027的行星狀星云進(jìn)行了三天的觀測，該行星狀星云距離地球約3000光年，位于天鵝座的方向上。在這個(gè)炎熱而富有活力的星際環(huán)境中，正如約翰·布萊克40年前預(yù)測的那樣，氦氫化物能夠形成并在星云的光譜上留下其特征。探測到這個(gè)信號對于近百年來實(shí)驗(yàn)和理論化學(xué)的突破具有重要意義，但是其在這里的發(fā)現(xiàn)所帶來的影響更為重大，因?yàn)檫@個(gè)遙遠(yuǎn)星云內(nèi)部的條件與宇宙最初幾萬年的條件非常相似。

大爆炸核合成在創(chuàng)建原子核方面非常有效，但是在此后的幾十萬年里，宇宙能量仍然過高，無法使氫、氘和氦與電子結(jié)合形成無電荷的原子。然而，當(dāng)環(huán)境溫度降至約4000開爾文時(shí)，這些背離正常軌道的原子核能夠按照特定的順序相互結(jié)合，由它們的電離電位決定。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，氦氣今天被認(rèn)為是所有惰性氣體中最高尚的氣體。

氦是最惰性的元素，也是最不容易發(fā)生反應(yīng)的，因?yàn)樾枰薮竽芰縼韯儕Z其一個(gè)電子，將其轉(zhuǎn)化為離子。但在早期宇宙時(shí)，存在的只有帶電荷的離子粒子，氦憑借其強(qiáng)大的吸附能力，成為第一個(gè)吸引電子并保持住它們的元素，形成了宇宙中第一個(gè)無電荷的物質(zhì)。然而，這種對氦的穩(wěn)定性并沒有持續(xù)很久，它對于單個(gè)質(zhì)子捕獲電子以形成氫原子來說仍然太熱了，所以質(zhì)子們轉(zhuǎn)向氦和它所攜帶的電子，尋求一種能夠共享的排列方式。

最終，在這些頑固的質(zhì)子的巨大壓力下，氦屈服了，形成了宇宙中的第一個(gè)化學(xué)鍵和第一個(gè)分子，從而在這個(gè)過程中形成了非常不穩(wěn)定的氦氫離子。盡管這些分子的不穩(wěn)定性，它們的短暫存在為其他分子的形成以及宇宙中的化學(xué)起源鋪平了道路。

從大爆炸后的約100,000年開始，星際化學(xué)的領(lǐng)域得到了很好的發(fā)展，研究我們可以在宇宙中找到哪些分子以及它們是如何形成的。地球上存在的許多原子結(jié)構(gòu)在整個(gè)宇宙中也很常見，包括水和氨等物質(zhì)，但還有一些更為奇特的分子，例如二氫單氯離子或過氧化氫根離子。盡管還有很多尚未被發(fā)現(xiàn)的分子，無論它們是什么，它們的存在最終都要?dú)w功于在宇宙誕生的前100,000年里產(chǎn)生和消失的氦氫離子。

你可能認(rèn)為你對周圍世界有很好的掌握能力，我們的大腦似乎通過專門感知光、聲音、物質(zhì)的實(shí)體觸感以及分子的化學(xué)細(xì)微差異而適應(yīng)了感知宇宙所能提供的所有刺激。但這并不是真的，現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)比眼睛、耳朵或指尖所感知到的要豐富得多。以光為例，我們大多數(shù)人能夠以輝煌銳利的鮮艷色彩看到世界，但可見光只是更廣闊電磁光譜的微小部分，其波浪不斷而又不可察覺地洗滌著我們的生活。高能量的伽瑪射線和X射線由我們食用的食物、構(gòu)成我們家園的磚塊，甚至我們自己的身體發(fā)出。我們所認(rèn)為我們可以感知的來自太陽的輻射能量中，約有10%是能夠穿透并對我們的皮膚和眼睛造成損害的紫外線。

在低于可見光的能量中，陽光由約50%的紅外線組成，我們中的一些經(jīng)歷到它作為熱量的感覺。甚至在更低的能量下，紅外線技術(shù)如動(dòng)作傳感器和電視遙控器通過微波輻射頻率來發(fā)送和接收信號，而我們的模擬收音機(jī)和電視則使用了最長波長的電磁輻射——無線電波。如果我們能看到所有的輻射，我們將變得失明。

總而言之，盡管我們表面上有知覺，但我們對宇宙中發(fā)生的至少99%的事情毫不知情。也許這是好事，因?yàn)楹茈y想象我們的大腦如何適應(yīng)處理所有可能的刺激。夜空的相對寧靜將會(huì)變成五光十色、聲音喧囂的焰火，有來自無數(shù)源頭的光點(diǎn)和歌聲，并且在這一切的背后，到處都是微弱的背光輻射，那是宇宙中第一束光的殘留輻射。

在宇宙存在的最初幾百萬年里，宇宙是完全不透明的，盡管充滿了光。對于我們來說，這樣的概念很難想象。從大爆炸后的萬分之一秒開始，承載著宇宙大部分能量的光子陷入了一個(gè)自身構(gòu)建的迷宮中，物質(zhì)和能量占據(jù)了同一枚硬幣的兩面。新生宇宙的冷卻使得純能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，洪荒之力涌入宇宙，充斥著亞原子粒子，它們的密度和強(qiáng)烈的振動(dòng)能量使光子根本無法穿透這一群體。直到原子最終形成，任何事物才會(huì)有所改變。

在現(xiàn)代宇宙中，無電荷的原子而不是帶電離子是構(gòu)成我們周圍一切的基石。由于它們體積小，需要大量這樣的原子才能構(gòu)建任何物質(zhì)。每個(gè)人體內(nèi)大約有7千萬億個(gè)原子，這是一個(gè)后面跟著27個(gè)零的數(shù)字。如果按照人類和地球上其他生物的數(shù)量來計(jì)算，再考慮到地球本身，并乘以宇宙中的所有行星和恒星，整個(gè)宇宙中的原子數(shù)量是無法想象的。

制造一個(gè)原子的真正關(guān)鍵在于首先捕獲電子，這一發(fā)現(xiàn)始于19世紀(jì)末。這些帶負(fù)電的輕子比質(zhì)子輕2000倍，可以被看作沒有形狀或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個(gè)點(diǎn)，而且在如此微小的尺度上，它們的行為由量子物理學(xué)來控制，量子不確定性規(guī)定我們無法知道它們的速度和位置，我們永遠(yuǎn)無法確定單個(gè)電子的位置，相反，它們可以被認(rèn)為同時(shí)占據(jù)它們能夠到達(dá)的每一個(gè)可能的位置，只要物理法則允許。

一旦在宇宙大爆炸核合成期間形成了帶正電的原子核，電磁力幫助捕獲帶負(fù)電的電子，從而形成一個(gè)電中性的原子。氫核捕獲一個(gè)電子，氦核捕獲兩個(gè)電子，但是這并不是一個(gè)快速的過程，電磁力約比將強(qiáng)子和核聚合在一起的強(qiáng)力弱100倍，因此宇宙的環(huán)境條件必須要低能量得多，才能希望使電磁力使電子變得超充電并將它們引入集體。

最終，需要經(jīng)過約380,000年的宇宙膨脹，溫度降低到約3000開爾文，電子才能最終加入其中，形成第一個(gè)穩(wěn)定的原子。當(dāng)它們這樣做時(shí)，整個(gè)宇宙發(fā)生了轉(zhuǎn)變，電磁吸引將電子吸附在原子核周圍的穩(wěn)定軌道上，在它們曾經(jīng)自由漫游宇宙的地方，電子現(xiàn)在與它們帶正電的伴侶緊密結(jié)合。

這首次開放了自創(chuàng)造物質(zhì)以來的空間，光子被困在迷宮中數(shù)十萬年，突然找到了逃離的道路，它們可以直線行進(jìn)而不會(huì)立即撞擊到其他粒子，它們是第一束真正穿透宇宙的光線。曾經(jīng)是不透明的東西現(xiàn)在變得透明，曾經(jīng)是等離子體的東西現(xiàn)在變成氣體，曾經(jīng)是破碎的東西現(xiàn)在變得完整。整個(gè)宇宙的歷史上，我們終于有機(jī)會(huì)看到發(fā)生了什么。

在科學(xué)中，很少有發(fā)現(xiàn)是偶然的，更不用說能夠獲得諾貝爾獎(jiǎng)的那種發(fā)現(xiàn)了?？茖W(xué)進(jìn)展通常是通過多年的投入和逐步研究和投資來獲得的，但是在1978年，諾貝爾委員會(huì)違背慣例，將那年的物理學(xué)獎(jiǎng)授予了兩位偶然發(fā)現(xiàn)的人，這是一種突發(fā)事件。這是在1960年代初在新澤西州霍姆德爾的一個(gè)小鎮(zhèn)上，為最幸運(yùn)的發(fā)現(xiàn)鋪平了道路，因?yàn)樨悹枌?shí)驗(yàn)室在那里建造了一個(gè)20英尺長的喇叭形天線。幾年后，一個(gè)新的衛(wèi)星系統(tǒng)取代了原來的系統(tǒng)，使得這個(gè)設(shè)備變得過時(shí)，但貝爾實(shí)驗(yàn)室并沒有浪費(fèi)他們龐大的聽覺設(shè)備，相反，他們將其開放給研究人員阿諾·彭茲斯和羅伯特·威爾遜，他們計(jì)劃收聽并分析來自星系間空間的無線電信號。

然而，當(dāng)他們開始觀測時(shí)，這兩位天文學(xué)家在低但持續(xù)的無線電噪音中很難分辨出信號。他們檢查了噪音不是來自附近的紐約市或當(dāng)?shù)氐能娛略O(shè)施，他們確認(rèn)它不是來自銀河系的任何特定部分或者銀河系之外，而是似乎來自整個(gè)天空。因此，為了使這種噪音如此一致和全方位出現(xiàn)，研究人員得出結(jié)論，這一定是儀器內(nèi)部的某種錯(cuò)誤造成的。的確，當(dāng)他們檢查天線時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)有一些鴿子在天線上棲息，也許是它們的糞便，他們所描述的白色介電材料正在散發(fā)熱量，從而產(chǎn)生噪音。

在多次試圖人道地重新安置這些鳥類失敗后，研究人員采取了更極端的措施，最終清理了天線上的鴿子和鴿糞，但是噪音仍然存在。彭茲斯和威爾遜在他們的儀器中排除了所有可能的誤差來源，所以作為最后的手段，他們開始考慮這個(gè)無線電噪音實(shí)際上可能來自整個(gè)天空。他們向普林斯頓大學(xué)的天文學(xué)家羅伯特·迪基求助，尋求建議。正是迪基以最大的方式解決了這個(gè)謎團(tuán)，他一直在發(fā)展關(guān)于早期宇宙中原子形成的理論，他相信宇宙大爆炸是周期性的，前一個(gè)宇宙的所有原子在火球的壓縮和重組中被撕裂。

當(dāng)宇宙再次膨脹和冷卻時(shí)，這種所謂的復(fù)合會(huì)使宇宙變得透明，并首次釋放光線，這在這個(gè)宇宙的時(shí)間線上被稱為光宇宙的可見部分，如黃橙色的發(fā)光，在宇宙內(nèi)的很大距離上仍然可以檢測到。隨后，宇宙的擴(kuò)張將使早期時(shí)空延伸，直到發(fā)光變?yōu)榧t移，超出我們眼睛的感知范圍，并進(jìn)入微波波長。

迪基計(jì)劃自己尋找這個(gè)發(fā)光，但彭齊斯和威爾遜無意中擊敗了他，因此十年后，這兩位貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，以表彰他們對所謂的宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)。無論是誰被認(rèn)為是發(fā)現(xiàn)或解釋宇宙微波背景的功勞，盡管迪基的周期性火球模型后來被排除，但其檢測結(jié)果代表了我們對宇宙大爆炸的理解的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

發(fā)現(xiàn)這種紅移的火球發(fā)光現(xiàn)在被拉伸到僅為絕對零度以上2.7度，這是確鑿的證據(jù)，表明宇宙實(shí)際上是從一個(gè)熾熱致密的狀態(tài)開始的，即使它是在宇宙學(xué)創(chuàng)造的那一刻之后的約380,000年。這為我們對在這一時(shí)期中事物如何發(fā)展的理論提供了證明。我們擁有的最早的觀測證據(jù)是早期宇宙的熾熱、高能量和緊湊結(jié)構(gòu)，甚至在其中還包含了宇宙將如何展開的線索。

由于彭齊斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)微波嗡嗡聲在整個(gè)夜空中非常一致，后來設(shè)計(jì)用于研究宇宙背景輻射的儀器發(fā)現(xiàn)了非常微小的變化，即微弱的熱度或冷度差異，只有幾十萬分之幾度。對宇宙背景輻射的映射成為像宇宙背景探測器、威爾金森微波各向異性探測器和普朗克望遠(yuǎn)鏡這樣的項(xiàng)目的重點(diǎn)，產(chǎn)生了對380,000年前宇宙中能量和密度變化的極為詳細(xì)的圖像。

正是這些密度變化為今天的大尺度結(jié)構(gòu)提供了種子，因?yàn)樗鼈儼辔镔|(zhì)，然后吸引更多物質(zhì)，變得更密集，進(jìn)而吸引更多物質(zhì)。在1億年內(nèi)，這些超過密度的區(qū)域已經(jīng)變得足夠龐大，以觸發(fā)第一顆恒星和星系的形成。這些變化似乎主要是隨機(jī)的，正如預(yù)期的那樣，是子原子量子漲落通過宇宙大爆炸之后的第一秒內(nèi)的膨脹而被放大到巨大的尺度。

然而，更近一步的分析還揭示了宇宙背景輻射中隱藏的另一個(gè)奇特模式，這個(gè)模式也在今天的大尺度結(jié)構(gòu)中得到了映射。在原子形成之前，當(dāng)宇宙仍然充滿不透明的等離子體時(shí)，它足夠密集，使得聲波能夠穿過，就像今天的聲音穿過空氣一樣。這些波動(dòng)起源于騷動(dòng)的能量湯中相互作用的吸引力和斥力。當(dāng)重力將物質(zhì)吸引到更密集區(qū)域的中心時(shí)，光子被困在崩潰的迷宮中，但由于被過于緊密地壓縮，這些光子反擊并對物質(zhì)施加向外的壓力，因此這些光子向外推開物質(zhì)，以三個(gè)維度擴(kuò)散，形成了復(fù)雜的同心漣漪圖案，就像池塘中的許多雨滴一樣。從某種意義上說，這些壓縮波是聲波，因此被宇宙學(xué)家稱為重子聲學(xué)振蕩。然而，這種現(xiàn)象在原子復(fù)合之后就不復(fù)存在，一旦宇宙達(dá)到臨界點(diǎn)。

陷入那個(gè)正在崩潰的迷宮中，反抗并施加向外的壓力，因?yàn)楸贿^于緊密地打包，于是這些光子推回并攜帶一些物質(zhì)與它們一起擴(kuò)散在三個(gè)維度上，形成了復(fù)雜的同心波紋圖案，就像池塘上許多雨滴一樣。從某種意義上說，這些壓縮波是聲波，因此宇宙學(xué)家稱之為重子聲學(xué)振蕩。然而，一旦宇宙達(dá)到了臨界溫度3000開爾文，即原子復(fù)合反應(yīng)后，這種現(xiàn)象就不復(fù)存在了。此時(shí)，電子被俘獲并形成原子，向外傳遞物質(zhì)的光子可以自由逃脫，重子聲學(xué)振蕩突然停止了。它們無法再前進(jìn)，而其球面邊緣上的物質(zhì)被困在那里，就像光子離開它們一樣。

現(xiàn)在，大約130億年后，宇宙已經(jīng)擴(kuò)展了，但這些停留下來的凍結(jié)波紋的圖案仍然可以在星系團(tuán)和超星系的整體結(jié)構(gòu)中辨認(rèn)出來。宇宙學(xué)家在現(xiàn)代宇宙中發(fā)現(xiàn)了重子聲學(xué)振蕩，現(xiàn)在它們大約跨越150兆秒差距，即將近5億光年。對于觀測宇宙內(nèi)更遠(yuǎn)距離和時(shí)間的重子聲學(xué)振蕩的尺寸測量為天文學(xué)家提供了一個(gè)所謂的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)尺，他們可以用它來測量空間的膨脹。

根據(jù)這些信息，在一個(gè)對我們的儀器最終可見的宇宙中，我們可以模擬事物是如何展開的，并預(yù)測未來的發(fā)展。宇宙最初的光的痕跡可能已經(jīng)被拉伸和減弱成了其原貌的影子，但在它從我們的視野中完全消失之前，還要經(jīng)過數(shù)萬億年的時(shí)間，給未來的宇宙學(xué)家足夠的時(shí)間來解讀它的奧秘。

太空黑暗中閃爍著一點(diǎn)亮光，先是一顆，然后又一顆，接著一連串的點(diǎn)亮，一個(gè)星團(tuán)膨脹增大，并逐漸亮起更多年輕恒星的光芒。幾十億年后，它變得足夠龐大和質(zhì)量足夠大，開始自轉(zhuǎn)，并給予足夠的動(dòng)量，使其在赤道處被拉伸扁平，形成一個(gè)每秒旋轉(zhuǎn)超過200公里的盤狀結(jié)構(gòu)，每250萬年完成一次完整的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)這個(gè)年輕的螺旋星系穿越銀河系之外的空間時(shí)，它會(huì)捕獲和吸收沿途的較小星團(tuán)，與其他自轉(zhuǎn)星系的正面碰撞導(dǎo)致合并，為最初的螺旋星系注入新物質(zhì)，引發(fā)狂熱的恒星形成。

大約100億年前，我們的銀河系正處于其生命的全盛時(shí)期，在銀河系漣漪狀的螺旋臂內(nèi)，巨大的恒星燃燒，猛烈地燃燒并戲劇性地死亡，將其消耗的核聚變?nèi)剂系够匦窍翟浦羞M(jìn)行循環(huán)利用。這些氣體富含在恒星核聚變期間形成的較重元素，為全新一代的恒星提供了基礎(chǔ)，并首次形成行星系統(tǒng)，它們遲到了星際形成派對。

在距離銀河系中心25000光年的一個(gè)分裂的螺旋臂上，大約46億年前，一顆恒星出現(xiàn)了，并像銀河系本身一樣在較小的尺度上呈鏡像狀，圍繞它旋轉(zhuǎn)的是塵埃和氣體，形成一個(gè)扁平的盤狀結(jié)構(gòu)，塵埃變成了小石子，小石子變成了巨石，最終巨石變成了完整的巖石世界，這些巖石世界相互競爭穩(wěn)定的位置圍繞著黃色的恒星，并經(jīng)過一些災(zāi)難性的碰撞最終安定在將來的45億年中將占據(jù)的軌道上。

在距離太陽第三顆巖石世界上，隨著其猛烈形成過程的熱量逐漸消散，水凝結(jié)形成了海洋和大氣層，板塊構(gòu)造開始緩慢地在行星表面進(jìn)行巖石再循環(huán)，在海洋的某個(gè)地方，不知何故，一束生命的火花點(diǎn)燃了，找到了立足之地，并適應(yīng)和演化，填滿了這個(gè)獨(dú)特的世界，帶來了一種全新的創(chuàng)造，化學(xué)變成了生物，無數(shù)的生命形式在海洋、陸地和天空中蜂擁而至，然后，仿佛從無處而來，一種有感知的思維出現(xiàn)了，思考著自己在宇宙中的位置。

盡管我們知道形成銀河系、太陽、地球、生命和我們自身的廣泛事件序列，但我們對我們的創(chuàng)造的宇宙學(xué)理解仍然存在一些空白。在大爆炸后幾十億年的某個(gè)時(shí)候，那些在原子復(fù)合和宇宙微波背景形成時(shí)已經(jīng)存在的物質(zhì)和能量如何演化成了這一切？所有這一切是否不可避免，或者宇宙是否可以走上不同的道路？通過獲取我們在原子復(fù)合和宇宙微波背景形成時(shí)所了解的物質(zhì)和能量，并模擬隨后的宇宙演化，我們得到的宇宙與我們所處的宇宙有微妙但顯著的不同。其中星系更少，恒星形成更為活躍，行星形成延遲。在這些模擬中，生命可能會(huì)滯后甚至完全不存在。這顯然缺少了一些東西，這是一幅拼圖中的最后一塊，但宇宙學(xué)家們無法看到這個(gè)缺失的部分。大約在大爆炸后38萬年，光終于逃離了物質(zhì)的囚禁，光子可以自由地穿越膨脹的宇宙，但隨著宇宙的擴(kuò)大，光子會(huì)失去能量。宇宙也許不再是不透明的，但它是黑暗的，形成的強(qiáng)烈能量已經(jīng)衰減，還需要數(shù)百萬年才能再次出現(xiàn)新的核聚變過程來集中能量。

這是宇宙的黑暗時(shí)代，也許幾乎沒有什么可以看到，但這并不意味著什么都沒有發(fā)生。事實(shí)上，科學(xué)家們相信在這段時(shí)間內(nèi)，即宇宙歷史的頭百萬年及以后的時(shí)間里，暗物質(zhì)成為塑造宇宙未來的力量。暗物質(zhì)的存在首次在1933年被瑞士天文學(xué)家弗里茨·齊基考慮到，當(dāng)他研究距離地球320光年的座頭鯨星系團(tuán)時(shí)，這些星系似乎移動(dòng)得太快，無法保持團(tuán)簇的形態(tài)?；诳梢娦求w的質(zhì)量估計(jì)給出的數(shù)值比讓這些星系以如此快的速度移動(dòng)所需的質(zhì)量少了約10倍。為了解釋這兩種測量質(zhì)量方法之間的明顯差異，齊基提出實(shí)際上在星星、氣體和可見物質(zhì)之間可能存在著大量看不見的質(zhì)量，他稱之為德語中的“Dunkel Materie”，即暗物質(zhì)。

20世紀(jì)70年代末，開創(chuàng)性的天文學(xué)家維拉·魯賓在研究最接近我們的螺旋星系仙女座星系的旋轉(zhuǎn)時(shí)注意到了一個(gè)不符合預(yù)期的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，她和同事們通過儀器讀取加密的穿孔卡片結(jié)果進(jìn)行研究，但對于這位經(jīng)驗(yàn)豐富的天文學(xué)家來說，問題是昭然若揭的。人們預(yù)期星系在靠近中心時(shí)旋轉(zhuǎn)得更快，而邊緣的星星則會(huì)以更穩(wěn)定的速度前進(jìn)，但穿孔卡片的結(jié)果卻講述了一個(gè)不同的故事。

仙女座星系外邊緣的星星似乎和中央的球狀體一樣快速移動(dòng)，其螺旋臂的尖端以不可思議的速度旋轉(zhuǎn)。解釋這種運(yùn)動(dòng)的唯一辦法，而不違反宇宙基本運(yùn)動(dòng)定律，就是星星本身只是整個(gè)星系質(zhì)量的一部分。魯賓計(jì)算出可見物質(zhì)必須只占實(shí)際存在的質(zhì)量的15％，而仙女座星系必須被一個(gè)比星星可見范圍大得多的暗物質(zhì)光環(huán)所包圍。隨后的觀測揭示了大多數(shù)星系都是這樣的情況，包括我們自己的銀河系。

實(shí)際上，目前的估計(jì)表明，銀河系的暗物質(zhì)光環(huán)可能是可見星星范圍的15倍大。因此，天文學(xué)家現(xiàn)在確信暗物質(zhì)在塑造現(xiàn)代宇宙中的重要性，盡管我們?nèi)匀粺o法探測到它。大規(guī)模的研究表明，暗物質(zhì)的質(zhì)量比正常物質(zhì)多六倍，而且可能一直如此。但它到底是什么，盡管進(jìn)行了幾十年的研究，仍然是一個(gè)謎。

一種可能性是宇宙中的暗物質(zhì)由普通的由夸克和輕子組成的普通物質(zhì)構(gòu)成，但我們目前的技術(shù)很難探測到它們。這類對象被稱為大質(zhì)量致密暈（massive compact Halo objects，簡稱machos），更常被稱為“黑洞”，它們可以是各種尺寸的小但密度和質(zhì)量極高的黑洞，巨大恒星在生命周期結(jié)束時(shí)崩塌形成的質(zhì)量極大的中子星，或者包含的質(zhì)量幾乎與恒星相當(dāng)?shù)蛔阋渣c(diǎn)燃聚變的大量棕矮星。

然而，隨著我們的望遠(yuǎn)鏡和儀器的改進(jìn)，我們能夠越來越詳細(xì)地探測星際空間的深處，足夠數(shù)量的這些對象繼續(xù)逃脫我們的注意力的機(jī)會(huì)越來越小。鑒于這種持續(xù)缺乏觀測證據(jù)，宇宙學(xué)家目前更傾向于另一種可能性，即大多數(shù)暗物質(zhì)存在于一種被稱為弱相互作用的大質(zhì)量粒子中，因此被昵稱為“wimps”。

這將是一種全新的粒子類型，它將位于我們今天理解的標(biāo)準(zhǔn)模型之外，但我們迄今為止未能探測到它們。它們不會(huì)通過任何已知的基本力與普通物質(zhì)相互作用，除了重力，但是它們可能具有很大的質(zhì)量，或者以足夠的數(shù)量存在，以彌補(bǔ)宇宙85％缺失的質(zhì)量。目前，在粒子加速器和宇宙中，人們正在尋找這些重量級wimps的任何線索。但是由于可靠的線索太少，我們可能還有很長的路要走。

無論暗物質(zhì)是macho、wimp還是其他什么，它很可能一直存在于有形物質(zhì)的陰影中，自宇宙的最初幾秒鐘的創(chuàng)造以來，正是在大爆炸后的宇宙黑暗時(shí)代的約一百萬年后，它開始塑造宇宙的整體結(jié)構(gòu)。宇宙微波背景輻射表明，在原子復(fù)合時(shí)刻，物質(zhì)和能量的分布并不均勻，因此我們可以預(yù)期暗物質(zhì)也隨之而來。

但在這些黑暗的千年中，所有的質(zhì)量都發(fā)揮了作用，引力將暗物質(zhì)聚集在一起，比我們預(yù)期的普通物質(zhì)自身坍塌得更快、更密。然后，正常物質(zhì)按照暗物質(zhì)的模板運(yùn)動(dòng)，并被吸入不可見的引力井，從而創(chuàng)造出貫穿宇宙的纖維、星系團(tuán)和氣體團(tuán)，它們將成為第一顆恒星和星系的孕育地。

從這一點(diǎn)開始，我們今天所看到的宇宙的演化已經(jīng)變得不可避免，所有迄今為止發(fā)生的一切為接下來數(shù)十億年的天體物理創(chuàng)造奠定了基礎(chǔ)。宇宙已經(jīng)達(dá)到一個(gè)整體物理上可理解的階段，四種力已經(jīng)穩(wěn)定并成為獨(dú)立的力，決定了所有基本的相互作用，而物質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量也已經(jīng)穩(wěn)定下來，為星星和星系的世代、化學(xué)元素的起源和生命的最終創(chuàng)造提供了原料。但這還不是全部，80億年來，宇宙中的事件正如我們所預(yù)期的那樣發(fā)展，具備了這些基本成分。

然而，在大約50億至60億年前，就在我們太陽系形成、位于銀河系之內(nèi)的不久之前，發(fā)生了某種變化，而在25年前發(fā)現(xiàn)這一變化后，我們清楚地意識到我們對宇宙的平衡仍然不夠理解。這種宇宙演化中的變化首次在1998年被認(rèn)識到，當(dāng)時(shí)天文學(xué)家們正在研究不同時(shí)空點(diǎn)的超新星。某種尺寸的超新星有時(shí)被稱為“標(biāo)準(zhǔn)蠟燭”，因?yàn)樗鼈円砸阎铱深A(yù)測的亮度和光度爆發(fā)。

因此，它們已經(jīng)成為測量宇宙膨脹的有價(jià)值的工具，因?yàn)樗鼈兊墓饩€會(huì)隨著它們和我們之間的空間膨脹而被拉伸成更紅的波長。然而，天文學(xué)家注意到，

在過去的大約50億年中，超新星的紅移比預(yù)期要大，所以它們離我們的距離比預(yù)期更遠(yuǎn)。這種模式在測量重子聲學(xué)振蕩和星系團(tuán)中也可以觀察到。不僅如此，加速膨脹本身似乎正在加速。對于宇宙最近這個(gè)相變的外來解釋是暗能量。

因此，我們的太陽系整個(gè)歷史上，我們一直生活在一個(gè)暗能量主導(dǎo)的時(shí)代。就像暗物質(zhì)一樣，宇宙學(xué)家對于暗能量的真實(shí)性沒有一個(gè)很好的想法。當(dāng)愛因斯坦制定廣義相對論時(shí)，他引入了宇宙學(xué)常數(shù)的概念，代表了空間的固有能量。隨著空間的擴(kuò)張，這種能量實(shí)際上會(huì)增加，從而推動(dòng)進(jìn)一步的膨脹。

最終，廣義相對論并不需要這個(gè)修改常數(shù)，但是這個(gè)想法在解釋暗能量方面找到了新的生命。然而，問題仍然存在，即我們不理解為什么這種固有能量應(yīng)該存在。如果在宇宙尺度上找不到解釋，也許微觀物理學(xué)提供了一個(gè)線索。量子理論預(yù)測了一種被稱為真空能的現(xiàn)象，即由于隨機(jī)的量子漲落而自發(fā)地產(chǎn)生和消失的虛擬粒子施加壓力從而引起膨脹。這是一個(gè)有希望的想法，但是將這種真空能應(yīng)用于更大尺度的計(jì)算結(jié)果要遠(yuǎn)高于我們觀察到的膨脹，無法很好地解釋。

一些宇宙學(xué)家考慮了一種完全不同的東西，一種被稱為第五元素的新型能量場，它與正常物質(zhì)和正常能量的行為相反，可以是引力的或斥力的，并且隨著時(shí)間的推移可以改變其行為。然而，由于沒有能夠輕松探測該力量或甚至證實(shí)其存在的實(shí)驗(yàn)或觀察，我們被困在黑暗中。

隨著時(shí)間的推移，我們周圍的空間擴(kuò)張，無論它是什么，我們留下的是一個(gè)大約由68%的暗能量、27%的暗物質(zhì)和少于5%的正常物質(zhì)組成的宇宙。正是這些成分構(gòu)成了我們的宇宙在138億年中的生長和發(fā)展，遵循著在宇宙最初時(shí)刻顯現(xiàn)出的規(guī)則和常數(shù)。在宇宙大爆炸之后的前10億億億分之一秒里，您一直在觀看宇宙的整個(gè)歷史。