引言：肉眼不可见之物
我们时代最引人注目的天文学发现之一是宇宙正在膨胀。但这一发现也给我们留下了同样巨大的问题：这种向外膨胀会永远持续下去吗，甚至达到撕裂星系的程度？或者运动会在某个时刻逆转，使宇宙最终坍缩成一次大挤压？
原则上，确定我们的命运应该是一个简单的宇宙核算问题。答案取决于那里有多少质量：引力，它吸引物体相互靠近，与膨胀作斗争。通过清点我们能看到的一切，天文学家应该能够预测是否有足够的物质将宇宙重新拉拢在一起。然而，在过去的70年里，他们每次尝试宇宙普查时，结果都大相径庭。最终，这些失败导致了一个深刻的认识：数字似乎永远无法匹配，因为宇宙的绝大部分是不可见的。正如狐狸在安托万·德·圣埃克苏佩里的挚爱之书《小王子》中所说：“最本质的东西，眼睛是看不见的。”
标准的天文工具无法探测宇宙的这部分“暗区”。光学望远镜在发现以可见光形式辐射大部分能量的恒星方面表现出色，但这些望远镜对任何不发光的东西都一无所知。能够接收电磁波谱其他频率（例如无线电波或X射线）的仪器也无法探测到“影子宇宙”。因此，近年来研究人员学会了使用间接观测。对光线弯曲、星系运动和遥远爆炸恒星亮度的测量揭示了一个新真相：不可见的元素，统称为暗物质和暗能量，约占宇宙质量的96%。恒星是极少数，仅占总质量的0.4%。
夜空中所有光斑和点点微光，那些我们自古以来就研究的宇宙碎片，都不过是浩瀚黑暗宇宙之海上的微小泡沫。除非我们解开这个谜团，否则我们无法真正理解我们从何而来，也无法了解未来为我们准备了什么。
加拿大-法国-夏威夷望远镜提供
四周皆黑暗
仙女座星系中距地球3000万光年的螺旋星系NGC 891中的所有恒星都围绕中心运行。在致密的内部区域，速度可预见地很高。在星系质量开始变薄的中间区域，速度只略微下降。旋转曲线（轨道速度与距离的关系图）在可见星系边缘保持几乎平坦。如果NGC 891中的物质分布方式与星系星光分布方式相同——集中于中心，在边缘逐渐消失——那么外部区域的轨道速度应该会大幅下降。实际上，它们在边缘处保持着神秘的高速，高到足以将恒星抛出星系。科学家们得出结论，一片不可见的物质云一定环绕着星系，将恒星固定在原位。同样旋转模式出现在宇宙中的所有螺旋星系中，包括我们自己的银河系。
—科里·S·鲍威尔
近在咫尺
我们星系中的暗物质
在1970年代，卡内基科学研究所的天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）正在测量与银河系相似的螺旋星系内部的旋转速度，这在当时被认为是例行公事且不引人注目的工作。然而，她的努力却带来了一个重大发现：星系遥远边缘的物体以惊人的高速移动。这些外部区域能够保持完整的唯一方式是，它们被一个大得多的不可见物质晕的引力束缚在一起，其质量是可见星系的五到十倍。
对于鲁宾的许多同事来说，如此多的暗物质的存在似乎荒谬。一些研究人员提出，暗晕是由普通物质组成的，只是不发光。例如，一个质量小于太阳8%的气体球，其内部引力不足以使其紧密压缩以点燃导致恒星发光的核反应。它会形成一颗褐矮星——一个几乎不可见、质量几乎与恒星相当的物体。然而，对这些物体的系统搜索却发现的数量惊人地少，计算机模拟表明，像猎户座星云这样的星际云只将其质量的一小部分转化为褐矮星。早期恒星可能比今天的恒星质量更大，这使得褐矮星构成不可见宇宙的很大一部分的可能性更小。另一方面，早期大质量恒星在耗尽核燃料后可能坍缩成黑洞。黑洞根本不发光。
在1980年代后期，普林斯顿大学的博丹·帕钦斯基和其他几位天文学家意识到，有一种方法可以探测潜伏在我们星系晕中的看不见的致密天体。如果其中一个物体恰好经过一颗明亮的恒星前面，这个黑暗闯入者的引力会暂时弯曲并放大光线。为了提高发现这种偶然对齐的几率，三组研究人员使用了专门改装的望远镜和计算机，一次监测数百万颗恒星。这些事件的稀有性——只记录了15个有意义的事件，朝着我们的卫星星系方向观测到——证实褐矮星和黑洞数量太少，不足以构成我们星系暗区的重要部分。
为了寻找更多关于暗物质性质的线索，天文学家们将目光投向了我们邻近星系之外，进入了更深远的宇宙空间，在那里，不可见物质的影响以其他更戏剧性的方式显现出来。
美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所/ACS科学团队/欧洲空间局 提供
邓肯·A·福布斯/斯文本科技大学/肯吉·贝基/新南威尔士大学 提供
斯文本科技大学/肯吉·贝基/新南威尔士大学
美国国家航空航天局提供/
太空望远镜科学研究所/ACS科学团队/欧洲空间局
蝌蚪星系（左上）拖着一条长长的恒星和气体尾巴，这股尾巴是被一个星系入侵者的引力拉出的，入侵者在蝌蚪星系盘面的上半部分显示为一个小的蓝色星团。暗物质晕放大了这些相互作用。左下方（左下角）看似无害的螺旋星系展示了暗物质的力量。这个无名螺旋星系（左）的伪彩色特写显示了一个奇怪的光芒，这似乎是一个小型伴星系正在被更大星系的暗物质晕的引力撕裂。计算机模拟（右上）显示了小星系在48亿年间是如何被瓦解和吞噬的。
宇宙由什么组成？
许多证据表明，宇宙比我们肉眼所见的要多得多。以下是最新宇宙普查的结果，详细说明了真实存在的物质
73% 暗能量
证据：对宇宙膨胀的测量表明它正在加速，这显然是由一种神秘的斥力驱动的。根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，这种斥力可能由空间本身潜在的能量引起。这种暗能量的独立证据来自对早期宇宙遗留微波的测量。
23% 暗物质
证据：对星系运动和旋转的观测表明，它们似乎被大量看不见的物质包围着。大爆炸的理论模型表明，这些物质的大部分不能由普通原子构成。
4% 非发光普通物质
证据：大爆炸模型，连同对原始微波的研究，预测了应该存在多少传统原子——结果远超仅凭恒星所能解释的数量。一些黑暗物体已被直接观测到，或通过它们偏转光线或与可见恒星发生引力相互作用的方式被间接探测到。
0.4% 发光物质
证据：这些是我们仰望夜空时看到的恒星、星云和星系。发光物质的密度如此之小，以至于它落在暗物质和暗能量的四舍五入误差范围内，这就是为什么数字加起来会超过100%。—C.S.P.
更远的地方
星系团中的暗物质
暗物质最引人注目的证据之一出现在大型星系团的图像中。星团中物质的引力弯曲并扭曲了来自更遥远星系的光线，产生了大量奇怪的光学效应，从扭曲的弧线到同一背景物体的多个图像。这个过程被称为引力透镜。扭曲的强度表明了透镜星团的整体引力场强度，因此也表明了其总质量。
从引力透镜研究推断出的星系团质量大约是所有恒星与充满星系间空间的炽热X射线气体总和的10倍。过剩的质量一定是暗物质。（这个结论假设引力在宇宙尺度上与在地球上的行为相同——一个合乎逻辑但未经检验的信仰条目。参见《发现》杂志2003年10月号“锁定引力”。）在星团中，暗物质似乎也在明亮部分周围形成了一个巨大的光环。今年早些时候，加州理工学院的让-保罗·克内布和他的同事分析了一个名为CL0024+1654的星系群产生的引力畸变。下图所示的结果图揭示了该星团内部和周围暗物质的位置。
那么，构成所有这些维系星系团的暗物质究竟是什么呢？燃烧殆尽或失效的恒星根本无法解释如此巨大的质量。事实上，有充分的理由认为，大部分暗物质根本不是由原子组成的。大爆炸理论对宇宙中普通原子的总数以及氘（重氢）和氦的相对丰度做出了详细预测。如果现代宇宙的平均密度为每立方米0.2个氢原子，这些预测与观测到的宇宙成分相符——这远低于在星系和星系团周围看到的物质总量。
因此，天文学家们确信，大多数暗物质一定是由不影响核反应的粒子组成的。这排除了所有原子，但允许许多其他类型的基本粒子。其中最有可能的暗物质候选者是中微子。这些幽灵般的粒子非常不活跃，每秒都有数万亿个粒子穿过你的身体，而不会干扰你体内的任何原子。然后它们继续穿过地球，绝对没有任何影响。
理论计算表明，宇宙中每个原子应该有多达1亿个中微子。由于中微子数量如此之多，即使每个中微子的质量只有原子质量的一小部分，它们也可能是主要的暗物质。直到最近，物理学家还认为中微子根本没有质量，但1998年在日本超级神冈探测器完成的研究表明并非如此。然而，推断出的质量如此微小，以至于中微子无法解释所有的暗物质。它们最多只能与恒星的质量相匹配。将所有暗形式的普通物质（气体云、褐矮星、黑洞等）加起来，宇宙中仍有95%的质量无法解释。
左上图：星系团CL0024+1654弯曲了更遥远星系的光线，在这张开创性的哈勃图像中形成了奇特的弧形结构。造成这种弯曲的大部分引力是由看不见的暗物质产生的。
W. N. Colley 和 E. Turner (普林斯顿大学)/J. A. Tyson (贝尔实验室，朗讯科技)/NASA 提供
右上图：由加州理工学院的让-保罗·克内布、理查德·埃利斯和托马索·特鲁创建的暗物质图，基于对图像中39个区域的观测。暗物质（蓝色）集中在核心区域，大致遵循可见星系（黄色）的分布。很可能，暗物质提供了将小型星系群聚集在一起的引力胶水，这些星系群合并形成了这个星系团。
欧洲空间局/美国国家航空航天局/让-保罗·克内布（法国南比利牛斯天文台/美国加州理工学院）提供
关于缺失的剩余部分的性质的线索，来自复杂的计算机模拟，这些模拟显示了大型宇宙结构——星系团和超星系团——是如何从早期宇宙中轻微的不规则性演变而来的。随着时间的推移，引力通过导致密度更大的区域坍缩和碎片化，放大了这种不规则性。这种发生方式取决于主要物质形式的性质。普通原子很容易受到辐射的扰动，因此它们需要太长时间才能形成观测到的结构。模拟揭示了形成当今星系团的物质的可能性质。它应该是暗的——也就是说，它不应该被辐射搅动——而且相对于光速来说，它应该是缓慢移动的，或者用天文学的说法是“冷的”。（相比之下，中微子是快速移动的，或者说是“热的”。）字面意义上的宇宙学家将这种物质命名为冷暗物质。
旨在构建统一物理模型的最新理论列出了许多潜在粒子，它们似乎符合这些特性。这些奇异粒子，其中最轻的将至少比氢原子重100倍，被称为弱相互作用大质量粒子，或WIMP。它们纯粹是假设的，但如果它们存在，就应该能够探测到它们。如果存在足够的WIMP来构成我们星系中所有的暗物质，那么地球周围区域每立方米应该有数千个WIMP。它们的移动速度大约与我们星系中恒星的平均速度相同，即每秒135英里。这些电中性粒子中的大多数，就像中微子一样，会直接穿过地球。然而，在极少数情况下，一个WIMP可能会与它们穿过的物质中的一个原子相互作用。
几项国际合作，包括意大利大萨索实验室的DAMA（暗物质）项目和总部位于英国布尔比矿的英国暗物质合作组织，都设计了实验来探测WIMP撞击超纯硅板或类似材料时产生的微小反冲。这些探测器必须冷却到极低的温度并放置在地下深处，以消除可能淹没暗物质信号的其他类型的粒子撞击。到目前为止，唯一声称探测到暗物质粒子的——三年前由罗马大学的一个团队完成——已被强烈质疑。与此同时，搜索以不断提高的灵敏度进行着。
看不见的宇宙由什么构成？
暗能量可能源于空旷空间的物理性质，类似于宇宙常数，这是阿尔伯特·爱因斯坦在1917年提出的长程斥力。或者它可能是一种新型的场，称为精质（quintessence），与宇宙诞生时出现的各种物质一同产生。
暗物质很可能包括几种不同类型的粒子。其中一组是由相对快速移动的“热”粒子组成。这些很可能是中微子，几十年前被发现但直到最近才被发现具有微小质量的幽灵粒子。另一组是由更迟钝的“冷”粒子组成。这些可能是WIMP，已知粒子的重量级对应物，或者是另一种质量较小的粒子，称为轴子。但没有人探测到WIMP或轴子。
普通的隐藏物质由几乎不发光或不发光的原子组成。行星是一种非发光物质。气体云也可以是非发光物质。褐矮星，比恒星质量小，几乎是黑暗的，坍缩的恒星——白矮星、中子星和黑洞也是如此。甚至像彗星一样的冰冻氢团也能解释一些隐藏物质，尽管没有人知道这些团块是如何形成的。
—C.S.P.
终极尺度
暗物质与宇宙的形状
尽管暗物质的性质存在不确定性，但我们至少对其数量有了一个很好的认识。宇宙学家将宇宙的密度与一个称为临界密度的数字进行比较——抵消空间曲率所需的质量。（弯曲空间是爱因斯坦广义相对论中出现的令人困惑的概念之一。在最简单的宇宙学模型中，临界密度仅仅意味着引力向内拉力正好足以阻止宇宙向外膨胀。）将星系、星系团和大型结构中推断出的引力效应加起来，意味着宇宙中物质的总量，包括暗物质，约为临界密度的30%。
然而，即使这样，显然也未能完全统计出不可见的宇宙。美国国家航空航天局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的数据提供了令人信服的证据，表明宇宙具有完整的临界密度。如果是这样，那么宇宙中存在着一个巨大的额外暗成分。WMAP通过一种非常间接的方式测量了整个宇宙的密度，即记录宇宙微波背景的分布，这是大爆炸的余晖。这种普遍存在的辐射包含微小的异常，其中早期宇宙中的压缩或膨胀区域导致微波显得比平均温度略高或略低。宇宙学家可以计算出这种原始异常的典型大小。将该大小与WMAP图像中特征的角尺寸（在大约一度的尺度上最为突出）进行比较，揭示了宇宙的净几何形状和组成。去年二月，美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的查尔斯·本内特宣布了结果：宇宙的整体几何形状是平坦的，这意味着质量和能量的总量与临界密度完全匹配。对WMAP数据的进一步分析表明，宇宙由27%的物质和73%的其他物质组成。
无论“其他物质”是什么，它都没有出现在我们对星系和星系团的研究中。但如果这个额外成分是真实的，它就必须影响宇宙的膨胀。1998年，两个小组——一个由劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特领导，另一个由澳大利亚国立大学的布莱恩·施密特领导——报告说他们成功测量了膨胀随时间的变化。研究人员观察了一种异常明亮、均匀的爆炸恒星，称为Ia型超新星。通过识别距地球不同距离的超新星，测量它们的光被拉伸了多少，并确定光线随距离变暗了多少，研究人员可以探测宇宙历史不同点的膨胀率。令所有人惊讶的是，研究表明膨胀正在加速。
左上图：APM星系巡天显示了跨越100度宽天空区域的约300万个星系的分布。较亮的点表示该天空区域的星系密度较高；较蓝的颜色表示星系的亮度。此类地图揭示了横跨数亿光年的超星系团和星系丝的存在.
图片由 S. J. Maddox/ 英国诺丁汉大学提供
右上图：由天体物理学家拉斯·赫恩奎斯特和沃尔克·斯普林格尔制作的宇宙结构计算机模拟，与真实宇宙中的物质分布非常相似。这类模拟表明，只有在大量暗物质的引力帮助下，才能形成大尺度结构。
图片由 Lars Hernquist/哈佛-史密森天体物理中心和 Volker Springel/马克斯·普朗克天体物理研究所，慕尼黑 提供
所有物质，无论是暗物质还是发光物质，都会产生引力，这应该会使宇宙减速。宇宙加速意味着神秘的“73%”元素必然会产生一种斥力，在巨大的距离上抵消引力。这听起来可能很奇怪，但大多数宇宙学家都开始相信，这种不可见元素是由弥漫在看似空旷空间中的能量组成的。这种暗能量可能源于亚原子层面充满真空的场缠结。量子理论最简单的版本实际上预测了过多的能量，因此物理学家通常假设这些场的所有能量以某种方式相互抵消为零。现在他们推测（出于同样未知的原因）这种量子能量的残留痕迹仍然存在，并解释了推断出的暗能量。其他研究人员援引一种称为“精质”的假设能量场，这是对古希腊术语“第五元素”的玩味，它也会引起宇宙排斥，但可能会随着宇宙的膨胀而衰减。
无论哪种理论是正确的——两者都可能错误——暗能量的发现正迫使天文学家重新思考我们宇宙的生命史。早期对宇宙密度的测量表明，宇宙中物质极少，膨胀可能无限期地持续下去。随着越来越多的暗物质被发现，研究人员开始考虑引力可能最终导致大爆炸逆转并启动另一个创生周期。现在看来，无论暗能量是什么，它都控制着宇宙的命运。
在这种新观点下，我们在宇宙中占据着一个令人惊讶的边缘位置。暗能量占据了宇宙大部分质量，奇异暗物质位居第二，而普通物质——我们赖以构成的原子——则排名第三，仅占4.4%。甚至大部分普通物质也是黑暗的。我们所知道、看到和触摸到的一切都只是整体中微不足道的一部分。这是一个发人深省的想法，但它将我们带入一个远比我们想象的更加奇妙和神奇的世界。历史上第一次，我们能够越过点缀在宇宙之海表面的发光泡沫，开始探索浩瀚、浑浊的深处。
美国国家航空航天局/J. 布莱克斯利（约翰霍普金斯大学）提供
暗能量的曙光
超新星爆发，作为宇宙中最明亮的事件之一，促成了暗能量的发现。通过监测遥远超新星的光，两个研究团队测量了宇宙膨胀率随时间的变化。他们惊人的结果是：宇宙在前几十亿年里一直在减速，但随后开始加速。标准解释是引力与暗能量产生的斥力相互竞争。当宇宙年轻而致密时，引力占据主导地位。随着一切继续膨胀和稀薄化，暗能量变得主导。最近哈勃太空望远镜拍摄的距地球80亿光年处爆发的超新星图像（下图）正在详细说明减速和加速过渡时期发生的事情。这将有助于区分暗能量的两种主要理论。一项拟议中的天基超新星/加速探测器应该能够在其三年任务期间排除一种理论——甚至可能两者都排除。
—C.S.P.
