第一節銀河之水——暗物質
1.秘境追蹤——暗物質
茫茫宇宙中，恒星間相互作用，做著各種各樣的規則的軌道運動，而有些運動我們卻找不到它們作用對應的物質。因此，人們設想，在宇宙中也許存著我們看不見的物質，這種物質就是暗物質。
暗物質(包括暗能量)被認為是宇宙研究中最具挑戰性的課題，它代表了宇宙中90%以上的物質含量，而我們可以看到的物質隻占宇宙總物質量的5％左右。暗物質無法直接觀測得到，但它卻能幹擾星體發出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。科學家曾對暗物質的特性提出了多種假設，但直到目前還沒有得到充分的證明。
幾十年前，暗物質剛被提出來時僅僅是理論的產物，但是現在我們知道暗物質已經成為了宇宙的重要組成部分。暗物質的總質量是普通物質的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4。同時更重要的是，暗物質主導了宇宙結構的形成。
暗物質的本質現在還是個謎，但是如果假設它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那麼由此形成的宇宙大尺度結構與觀測相一致。
不過，最近對星係以及亞星係結構的分析顯示，這一假設和觀測結果之間存在著差異，這同時為多種可能的暗物質理論提供了用武之地。通過對小尺度結構密度、分布、演化以及其環境的研究可以區分這些潛在的暗物質模型，為暗物質本性的研究帶來新的曙光。
大約65年前，人們第一次發現了暗物質存在的證據。當時，弗裏茲·紮維奇發現，大型星係團中的星係具有極高的運動速度，除非星係團的質量是根據其中恒星數量計算所得到的值的100倍以上，否則星係團根本無法束縛住這些星係。之後幾十年的觀測分析證實了這一點。盡管對暗物質的性質仍然一無所知，但是到了20世紀80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質才被人們廣泛接受。
2.神奇力量——暗能量
在引入宇宙膨脹理論之後，許多宇宙學家相信我們的宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度必定是等於臨界值的，這一臨界值用來區分宇宙是封閉的還是開放的。
與此同時，宇宙學家們也傾向於一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質的形式出現，包括4%的普通物質和96%的暗物質。但事實上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質密度的估計上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質的總量達到臨界值，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。
當科學家意識到沒有足夠的物質能來解釋宇宙的結構及其特性時，暗能量出現了。
暗能量和暗物質的唯一共同點是：它們既不發光也不吸收光。
從微觀上講，它們的組成是完全不同的。更重要的是，像普通的物質一樣，暗物質是引力自吸引的，而且與普通物質成團並形成星係。而暗能量是引力自相斥的，並且在宇宙中幾乎均勻地分布。所以，在統計星係的能量時會遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測到的物質密度和由暴漲理論預言的臨界密度之間70%～80%的差異。
之後，天文學家通過對超新星的觀測發現，宇宙正在加速膨脹。
由此，暗能量占主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型。
天文學家威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器的觀測也獨立地證實了暗能量的存在，並且使它成為了標準模型的一部分。
暗能量同時也改變了我們對暗物質在宇宙中所起作用的認識。
按照愛因斯坦的廣義相對論，在一個僅含有物質的宇宙中，物質密度決定了宇宙的特性，以及宇宙的過去和未來。如果加上暗能量的話，情況就完全不同了。
首先，總能量密度（物質能量密度與暗能量密度之和）決定著宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經從物質占主導的時期過渡到了暗能量占主導的時期。大約在“大爆炸”之後的幾十億年中暗物質占了總能量密度的主導地位，但是這已成為了過去。現在宇宙的未來將由暗能量的特性所決定，它目前證實宇宙在加速膨脹，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態，否則這種加速膨脹態勢將持續下去。
不過，我們忽略了極為重要的一點，那就是正是暗物質促成了宇宙結構的形成。如果沒有暗物質就不會形成星係、恒星和行星，也就更談不上今天的人類了。宇宙盡管在極大的尺度上表現出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恒星、星係、星係團、巨洞以及“星係長城”。而在大尺度上能夠促使物質運動的力就隻有引力了。但是均勻分布的物質不會產生引力，因此今天所有的宇宙結構必然源自於宇宙極早期物質分布的微小漲落，而這些漲落會在宇宙微波背景輻射中留下痕跡。然而普通物質不可能通過其自身的漲落形成實質上的結構而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因為那時普通物質還沒有從輻射中脫耦出來。