1．暴脹之後的宇宙
經過暴脹之後的宇宙就像上麵最後的球麵一樣，因為它膨脹到了如此巨大的地步，我們所能觀察到的宇宙僅僅是整體的極其微小的一部分，所以隻能夠測量出它的局部性質。因此可以得出這樣的結論，即我們看到的宇宙是平坦的。在這個巨大的宇宙中我們無法獲知自己觀測範圍之外的幾何學是什麼樣子的。不管在宇宙中可能存在多少種幾何學，暴脹說明了為什麼我們看到的宇宙是平坦的。
上麵的三個問題被暴脹設想利落地解決了，其代價是引入了一個我們知之甚少的、神秘的、暫時的加速，也許當我們對大爆炸本身有了更為深入的了解之後會有其他的答案，但在目前階段暴脹不失為一個很好的解釋。
在暴脹之後，宇宙以一個較低的速度繼續膨脹和冷卻。大爆炸後3秒，溫度降低到約10億開。宇宙中3/4的物質是氫，其餘幾乎都是氦。氦原子有2個電子，環繞著由2個質子和2個中子組成的原子核。
大爆炸理論預言每有10個質子，即10個氫原子核，就會相應地產生1個氦原子核。現在氫和氦的比例依然是10比1。這可能是對大爆炸理論最為簡明有力的驗證。恒星將氫轉化為氦，所以我們可以預料氦的比例會有所提高。如果我們在宇宙某處發現了一個孤立的物體，其中氦的含量比預計的低，那就必須開始徹底地重新考慮我們的理論。到目前為止還沒有發現這種情形。
所以我們是否相信大爆炸？它的主要競爭對手--穩恒態理論看上去已經壽終正寢了。現在，大爆炸占據了舞台。必須記住，理論是無法證明的。我們隻能夠盡力使其與所有的已知事實相符。帶有暴脹的大爆炸理論看起來滿足這個要求。但是，任何時候都有可能冒出新的發現，使我們看到原有理論的致命裂痕。不過在一個新的牛頓或者另一個愛因斯坦變出另一套更好的理論之前，我們還要和大爆炸待在一起。
2．超大質量的黑洞
黑洞
我們到達了宇宙演化史上出現能夠實際看到的分立天體的時間點。甚至在最早的恒星出現之前，物質收縮形成星係的過程就已經開始。哈勃太空望遠鏡的深空圖像揭示出大爆炸後7億年時的星係景象--它們看上去與在我們附近的天體不同。許多都較小，而且有各式各樣奇怪而美妙的形狀，有些裏麵還有大質量黑洞。占主導地位的是神秘的類星體，現在知道這種能量源是非常活躍的星係核，其光度等效於幾千個銀河係。因為它們如此明亮，所以可以從很遠的地方看到，也就是可以追溯到宇宙相當年輕的那些日子。
在這些星係的中心，甚至在很早的階段就存在著數百萬太陽質量的超大質量黑洞。就像我們前麵提到過的，它們可能直接由坍縮的氣體形成，也可能是大質量恒星的殘餘又吸附了大量的額外物質而形成的。無論如何，這一尺寸的黑洞其引力都十分巨大，能夠吸引龐大數量的物質。
看來在星係形成的早期，當恒星剛開始形成時，有大量的塵埃和氣體存在。這些物質的存在為黑洞提供了燃料，並向內旋轉形成圓盤狀。這時，它所發出的光線分成多個束流，當我們沿著其中一束的方向看過去時，就看到了被稱作類星體的威力巨大的信標。在宇宙演化的這個早期階段，這些原始星係之間的碰撞是很平常的。而當兩個星係合並時，新的物質被吸入一個或幾個黑洞中，類星體發出閃亮。實際上，所有大質量星係，包括我們的銀河係，在演化過程中都經曆過類星體的階段。而近來對某些類星體的研究發現，在其他方麵它們就是普通星係。當燃料最終耗盡時，星係就穩定下來。
這個在地球軌道上運行的天文台將望遠鏡指向了一塊以前從未引起過任何興趣的天空。長達100萬秒（略長於11天）的極端長時間曝光使得來自最暗
弱天體的光線也能積累到可被探測到的水平，將這塊似乎空無一物的天區變成充滿成千上萬個星係的地方。圖中每一個斑點都代表一個背景星係，而不是背景恒星。並且盡管有少量較近的星係看上去完全平常，大多數則是小很多，暗很多，且明顯怪很多。即使根據直觀印象也能得出一些結論。例如，顏色發紅的星係是最遠的，因為紅移很大。所以我們可以把這些探測到的天體按照大致的演化順序分類排列。
通過觀察這些最早的星係並嚐試以上的分析，可以獲得對今天星係如何形成的深入認識。我們不再認為每個星係都是相互隔絕地形成的，否則，在超深空照片中，較大的“普通”星係應該少些。根據模擬結果提出的新的圖景是：早期的坍縮會導致較小的結構，然後再經過一係列的碰撞合並形成較大的係統。在可觀測宇宙最遠古的區域裏的這些大量的小星係正是這一過程的原料。探測到的這些星係為這一理論增加了砝碼。在超深空視野照片中所看到的正是建造我們所熟悉的現代宇宙的磚石。這一進程甚至可能仍在繼續，近年來我們已經認識到銀河係也是一個吞食同類的巨物，因為天文學家觀測到它正在把一些矮星係撕裂。
這些小係統環繞大星係運動，但漸漸地被拉了過來。最終它們的軌道變形到經常穿越大星係的星係盤。而每次穿越都會被大星係奪走氣體和塵埃。經過這樣的幾個回合，小星係徹底喪失了自己，成為更大的係統的一部分。這就是等待銀河係最顯著的兩個夥伴--大小麥哲倫雲的命運。
哈勃太空望遠鏡拍攝的美麗的超深空視野照片，在它的繼任者出現之前可能一直是獨一無二的。圖中那些星係的異常顏色體現出我們所掌握的、本書中心議題的最根本的證據，這就是宇宙確實在膨脹。這眾多天體的不同顏色代表著不同的紅移。天體越紅，看上去就離開我們越快。我們看到的光線在大爆炸後7億年--宇宙年齡的5%--時就離開了它們。通過對地基望遠鏡獲得的這些星係的譜線位置的分析，已經證實了這一點。
貫穿這一時期，這些結構還是通過自身引力造成的物質收縮來形成，就像在黑暗（或昏暗）時期那樣。這當中也包括最後形成銀河係的種苗。銀河係的大小超過了平均值，但也不是非常特別。它相當於1000億個太陽的質量，但趕不上鄰近的仙女座旋渦星係。本星係群也不是特別突出，其他的星係群要龐大得多。平均在6000萬光年處的室女座星係團包括1000多個星係。
3．黑洞存在的證據
天文學家們報告說，他們首次發現了“事界”存在的直接證據---雖然“事界”是物理學領域最怪誕的概念之一。視界實際上就是黑洞的邊緣，任何物質都有可能落入它的非常明晰邊界，物質或能量一旦落入這種有去無回的黑洞，就會永遠從宇宙中消失。當然，迄今無人能對這個問題作出確切的解釋，但是理論學家們推測，落入黑洞的物質和能量會在宇宙的其他地方重新出現，也許會在其他宇宙出現。
馬薩諸塞州坎布裏奇哈佛--史密森天體物理學研究中心的拉姆什。納拉揚領導的研究小組發現了溫度超過１萬億華氏度的氣體落入一個黑洞中，這是迄今在宇宙中發現的溫度最高的氣體。
天文學家們說，他們的發現是對認為存在黑洞的理論相當有力的支持。黑洞是由密度極大的物質的坍塌構成，其引力巨大，任何物質甚至連光也都無法逃逸。
科學家們曾經在很長時間裏認為黑洞隻不過是個奇特的數學問題。然而近年來，諸哈勃望遠鏡等新型觀測儀器獲得了一係列有說服力的證據，證明黑洞確實存在。就連以前對此持懷疑態度的一些人也說，如今大約有９５％的專家們已經接受黑洞存在的理論。
密歇根大學的道格拉斯。裏奇斯通領導的一個國際專家小組今天發表的另一項報告說，新近發現的３個黑洞是目前仍在進行的對銀河係附近的其他星係開展研究所取得的初步成果。他們說，此項研究成果是迄今獲得的越來越多的證據中的又一重要內容。迄今獲得的證據包括：黑洞在宇宙中大量存在，並在宇宙的演化過程中發揮著重要作用；黑洞以不同的麵積、類別、時間和距離分布在從地球所在４的銀河係到目前所知的最遙遠的宇宙的範圍內。
這個小組發現的黑洞使目前的黑洞總數達到１１個。他們利用哈勃望遠鏡和設在夏威夷的天文望遠鏡觀測過往的星球和物質因受到黑洞的巨大引力的影響而突然加速的現象。
他們發現的這３個黑洞的質量約相當於5000萬至５億顆太陽（另外一些黑洞的質量估計相當於數十億顆太陽）。其中兩個黑洞位於獅子星座，另外一個黑洞位於室女星座。這３外黑洞與地球的距離都在5000萬光年以內。天文學家們說，他們對銀河係附近的２７個星係進行的研究取得的初步結果表明，幾乎所有的星係都有可能存在著超級黑洞。
裏奇斯通領導的天文學家小組利用數顆X射線衛星收集到的數據對距離地球約１萬光年、位於天鵝星座的Ｖ４０４Ｃｙｇ雙星係進行了研究。那裏一個據認為是黑洞的密度極大的物體正把其伴星吸引過去。
納拉揚說，他和普林斯頓高級研究所的一位同行運用新近創立的一種模式對物質可能落入黑洞進行研究。根據這種模式，物質在被黑洞吸引過去的過程中，在溫度逐漸增高的同時仍然保留著它的全部能量，即不是釋放能量，而是變得越來越熱。
天文學家們說，利用這種模式可以對以前觀測到的許多難以理解的現象作出解釋。納拉揚說，利用這種模式還可以對黑洞和其他物體加以區分。
4．我們的星係：銀河係
銀河係
年輕的星係中儲備有大量的氣體和塵埃，可以轉變成恒星。這些星係的光芒主要發自明亮年輕的藍色恒星，看上去和我們的星係--一個非常正常的旋渦星係很相似。在討論其他星係之前，有必要詳細地了解一下銀河係。我們知道它是旋渦狀的，其中心距離我們26000光年。整個係統的總直徑超過10萬光年，看上去像一個雙凸透鏡（或兩個背靠背疊在一起的煎蛋）。沿著這個係統的平麵望去，可以看到許多星星幾乎排在一條線上，形成了從太古時代起就被稱為銀河的橫跨夜空的壯麗的光帶。中心核球（煎蛋蛋黃）的直徑約2萬光年。平麵之外離開星係盤，在我們稱之為銀暈的地方有巨大密集的球狀星團和許多流浪的恒星。
銀心不易看到，因為中間有太多遮蔽的物質。但是射電波和X射線則不受阻礙。銀河係中心位於人馬座的繁星之後，其精確位置是人馬座A（讀作人馬座A星），是一個很強的射電源。在中心區有盤繞的塵埃雲和能量巨大的恒星組成的星團。在很靠近真正的中心的地方有一個260萬倍太陽質量的黑洞。其證據來自星表編號為S21、質量是太陽15倍的一顆恒星。長期的跟蹤研究發現它在圍繞著一個中心天體以15.2年的周期運動。它離中心天體最近的距離隻有17光時（光速小時），已經貼近黑洞“事件邊際”的邊緣。在那個界限之內，任何東西都無法逃出。它繞行的速度是驚人的每秒5000千米。從它運動的方式可以推斷出中心天體的質量。這一質量是如此巨大而又局限在如此狹小的體積內，除了黑洞，別無可能。
星係在旋轉。太陽大約要用2.25億年轉完一周。這一周期通常叫做宇宙年。在一個宇宙年前，地球上最高級的生命形式是兩棲動物，甚至恐龍都還沒有出現。設想一下一個宇宙年之後的地球是什麼樣子將是十分有趣的。我們在離星係主平麵不遠處運動，並剛剛離開其中一條旋臂--獵戶臂。所以我們現在位於一個相對空曠的區域。
5．宇宙中的旋渦星係
漩渦星係
許多星係是螺旋狀的，除了唯一一個令人困惑的反例之外，所有的旋臂都由於星係的旋轉而呈現拖尾狀。現在認為旋臂是由回蕩在係統內的壓力波造成的，裏麵的某些區域裏星際物質的密度比平均值要高，這將引發恒星的形成。最容易看到的恒星質量很大，以宇宙學的標準來看，在它最終爆炸成超新星前的壽命是較短的。但它們明亮的光芒使得旋臂變得明顯。當壓力波掃過後，激烈的恒星形成過程停頓了，這個旋臂變得不那麼突出。而掃蕩的壓力波又會造就一條新的旋臂。如果這種圖景是正確的，那麼在幾千萬年的時間裏，我們的銀河係仍會有旋臂，隻是這些旋臂是由另外的恒星構成的。
支配星係旋臂的物理學規律可用一個日常的問題來類比，就是交通擁堵。想象一下M25--倫敦的環路--上的交通，所有汽車都以幾乎相同的速度前進，但是如果道路較擠，一輛車稍微減速就會讓它後麵的車排起隊來。這正是聚集在環繞星係核心的旋臂上的氣體或塵埃的情況。每輛具體的汽車隻會在有限的時段裏成為擁堵的一員，而之後仍會在環路上繼續前行。但擁堵會持續下去，隻是換成了後麵跟上來的車輛。
通過多普勒效應，我們已經測量出很多星係的旋轉。如果一個旋渦星係正在旋轉，那麼在一側的所有物質將朝向我們運動，而另一側的所有物質將遠離我們（當然要排除星係自身的整體運動）。這種運動將表現在譜線的位置上，所以可以據此測量出旋轉的速率。而星係旋轉的一個奇怪的特征還具有更深刻的意義。
6．宇宙中神秘的暗物質
宇宙中的暗物質
在我們太陽係中，行星繞日公轉的速度隨著它們到太陽距離的增加而減少，因為離太陽越遠，引力越弱。順理成章地，同樣的規律也應該體現在旋轉的星係上。靠近中心的星的運動應該比遠離中心的星的運動快得多。然而天文學家驚奇地發現，不是這麼回事。遠處恒星的宇宙年比預計的要短，所以旋臂不會很快地卷繞起來。星係的情況似乎介於太陽係和一個剛體之間。剛體的情況像一個旋轉的自行車輪子，在車軸附近的一塊泥點的移動比在車圈上的移動慢得多，但兩者用同樣的時間走完一周。
如果星係裏的恒星像行星環繞太陽那樣簡單地圍繞著一個中心質量旋轉，就無法解釋這種奇怪的現象。唯一可能的答案是這個係統的質量並不是集中在中心或中心附近，而是分布在整個星係盤和星係的外側。最有可能的解釋是存在分布在整個星係暈內的暗物質。暗物質完全不可見，隻有萬有引力才能泄露它們的所在。
暗物質是否就是普通的物質？比如大量非常暗弱的低質量恒星，除非它們按照宇宙標準來看聚集得很近，否則我們將無法看到。當然恒星的數量是很多的，最新的估計是在可視宇宙中恒星的總數達到71022個，但似乎它們的總質量也無法與暗物質總量相匹配。
這些質量是否有可能被禁錮在黑洞中了？我們可以計算現已掌握的這類質量，發現還是遠遠對不上。史蒂芬·霍金曾預言存在地球質量級別的黑洞，但還從未發現過。曾經看起來更有希望的一種方案涉及中微子--沒有電荷的快速粒子,不易檢測但數量極其豐富，在驅動恒星的反應中大量產生。每秒鍾有數千個中微子穿過我們的身體，如果中微子具有一點質量，那麼就可以為暗物質提供一種解釋。與幾年前相比，現在我們對此有了更深入的了解：盡管中微子不是完全沒有質量，但它的質量遠不夠解決這一問題。
我們還剩下兩種選擇。一是暗物質可能是由現在還未知的基本粒子構成，每個質量很小，但數量足夠多，可以解釋這種差異。這種假設的粒子叫做弱相互作用重粒子，即WIMP。而粒子物理學已經對它們應該是什麼樣子給出了具體的預言。另一種解釋是暗物質由普通物質構成，以暗弱而大質量天體的形式存在，例如行星，或棕矮星一類的小恒星。對這類稱為大質量致密暈族天體，即MACHO的探測已經在進行，據信它們潛伏在大質量星係的星係暈中。探測已經取得了一些積極的結果，現在我們在等待發現一個經過的WIMP。然而事情並未就此完結。
7．黑洞，一個單向的旅程
這種最初的電離相當不合邏輯地被稱為“再電離時期”，它的產生還有另一個可能的原因。包括我們星係在內的幾乎每一個星係，其中心都有一個大質量黑洞。黑洞是大質量恒星坍縮的產物，它的引力是如此之強，即便光也無法逃離出來：它的逃逸速度太大了。逃逸速度的概念一目了然，就是一個物體要脫離某個質量更大的物體的重力場時，所必須具備的速度。最終，一個坍縮恒星的逃逸速度會達到每秒300.000千米，即光速。光是宇宙中最快的，而當光都無法再從那裏傳出，那麼在這個古老恒星的四周就會形成一個禁區，沒有任何東西能從那裏逃逸。當然我們無法直接看到黑洞，因為它根本不發出任何輻射。但我們可以確定它的位置，因為能夠探測它對其他天體的引力效應，例如當黑洞是雙星係統的一個成員時。
結果是黑洞與其周圍被割裂開來。因為任何輻射都無法逃出，所以我們沒有辦法探索其內部，而隻能猜測裏麵的情況。如果掉落到黑洞裏自然是有去無回，所以我們強烈地建議不要這樣做。科學家們創造了一個新詞叫“抻麵條”來形容這個過程，相信任何人想到這點就都不會貿然前往了。
黑洞通常是由大於太陽質量8倍的恒星坍縮形成的，而在星係中心，等於數百萬個太陽質量的巨大黑洞可能另有來曆。這些龐大的黑洞可能是在宇宙非常早期的階段形成的。如果這樣，那麼第一縷光線可能還不是由恒星發出的，而是物質掉落進黑洞時被加熱的結果，這也足以造成普遍的電離。如果是這種情況，那麼這些黑洞依然存在著，在目前仍然隱藏在星係的中心。現在還不清楚，這兩種可能的再電離機製中到底是誰在起作用。我們必須對這個時期有更多的了解，才有可能平息這場爭論。
8．相對論——觀測者的指南
黑洞的物理學通常是用廣義相對論的語言來描寫的，所以值得花點時間做些了解。根據愛因斯坦的理論，兩個擁有各自獨立的參考係的觀測者，當相對加速（或減速）時，它們的時標無法保持一致。換句話說，我覺得經過了10秒鍾，而如果你正在加速離開我，那麼會感到隻過去了6秒鍾。
人們首先會想到“哪個人是正確的”，然後去檢查時鍾是不是被動了手腳。然而相對論明白無誤地告訴您，兩者都是對的，這裏麵沒有人施展詭計。不同觀測者的時間確實在以不同的速度流逝。不過一些常識性的原則被保留下來。例如兩人觀察到的事件發生的順序是一致的。故而盡管可能其中一人看到A在B之前一分鍾發生，而另一人看到A和B同時發生，任何人不可能看到B先於A發生。所以因果關係保持不變。但許多其他我們認為是理所當然的常識都不再成立了。
為什麼在日常生活中從未經曆過這種類似悖論的事情？為什麼我們從未見過時鍾在以不同的速率走動？答案是，我們很幸運沒有生活在黑洞附近。在沒有極端的加速度，或接近光速的高速，或非常巨大的質量聚集在一起的條件下，這些改變微乎其微，牛頓的運動定律可以很好地得到符合。愛因斯坦並沒有去證明牛頓錯了，而是擴展了牛頓的思想，使之在更為極端的情況下依舊準確。
黑洞除了對時間的流逝有如此作用外，相對論還告訴我們巨大的質量是如何影響周圍的空間的。相對論難於理解的原因之一是其數學框架是四維形式的：三個我們所熟悉的空間維度加上一個時間維度，空間和時間不再獨立存在。為相對論提供了大部分數學架構的閔可夫斯基曾這樣說道：單獨的空間和單獨的時間消失得無影無蹤，而這兩者的複合體開始大放異彩。
如何去想象一個四維的球體？我們都不能。但可以通過隻考慮兩個維度來對它的特性有所認識。把時空想象成一條四角拉緊的平展的床單。現在在中間放上一隻圓球或其他重物，床單就會變形。就像理論告訴我們質量使得時空扭曲一樣。穿越這個畸變時空的光線，其路徑也會被扭曲。在一個大質量黑洞附近，這種效應會強大到使一個觀測者在某個合適角度能同時看到周圍星盤的正麵和反麵。
9．暗能量的產生原因
什麼是暗物質？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%(暗物質加暗能量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10%不到(約5％左右)。1957年諾貝爾獎的獲得者李政道更是認為其占了宇宙質量的99%。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(darkmatter)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，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80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質以被廣為接受了。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一個平行空間，而且宇宙總能量密度必定是等於臨界值的（這一臨界值用於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。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（CMB）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。另一方麵，不與輻射耦合的暗物質，其微小的漲落在普通物質脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質脫耦之後，已經成團的暗物質就開始吸引普通物質，進而形成了我們現在觀測到的結構。因此這需要一個初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這裏需要的物質就是冷暗物質，由於它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最後一件重要的事情。對於先前提到的小擾動（漲落），為了預言其在不同波長上的引力效應，小擾動譜必須具有特殊的形態。為此，最初的密度漲落應該是標度無關的。也就是說，如果我們把能量分布分解成一係列不同波長的正弦波之和，那麼所有正弦波的振幅都應該是相同的。"大爆炸"初期暴漲理論的成功之處就在於它提供了很好的動力學出發機製來形成這樣一個標度無關的小擾動譜（其譜指數n=1）。WMAP的觀測結果證實了這一預言，其觀測到的結果。但是如果我們不了解暗物質的性質，就不能說我們已經了解了宇宙。現在已經知道了兩種暗物質--中微子和黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是非常微小的，暗物質中的絕大部分現在還不清楚。這裏我們將討論暗物質可能的候選者，由其導致的結構形成，以及我們如何綜合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質的性質。
暗物質存在的證據
最早提出證據並推斷暗物質存在的科學家是美國加州工學院的瑞士天文學家弗裏茨·茲威基。2006年，美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星係團1E0657-56進行觀測，無意間觀測到星係碰撞的過程，星係團碰撞威力之猛，使得黑暗物質與正常物質分開，因此發現了暗物質存在的直接證據。
首次捕獲暗物質粒子
最新發現：美國科學家在地下廢棄鐵礦中捕獲暗物質粒子暗物質的電腦模擬圖
低溫暗物質搜尋項目（CDMS），旨在使用探測器探測粒子間的互動，找到暗物質粒子引起的運動。美國科學家在位於加利福尼亞大學校園的隧道裏的實驗室2009年檢測到了兩種可能來自於暗物質粒子的信號。但他們同時表示，這些信號與暗物質粒子的相似度不高。他們在明尼蘇達州的Souden煤礦地下約714米處安裝更高級的實驗室設備，以進行二期低溫暗物質搜尋項目（CDMSⅡ）。暗物質現象會被進入地球的宇宙射線幹擾，要減少宇宙射線μ介子粒子的背景信號影響，唯一的辦法是一道地底深處，這樣才有把握確認暗物質的構成。2009年12月21日，科學家在Souden煤礦中發現暗物質，這是迄今為止最有力的發現暗物質證據。其他實驗也在探尋來自暗物質的信號，比如地下氙（Lux）實驗。美國費米太空望遠鏡則試圖定位暗物質，尋找其在空間湮沒（暗物質發生碰撞時，兩個粒子將生成可以被探測器接收到的γ射線）的證據，但目前沒有任何發現。
中國暗物質研究基地
中國暗物質研究基地
央視消息：中國首個極深地下實驗室——“中國錦屏地下實驗室”於2010年12月12日在四川雅礱江錦屏水電站揭牌並投入使用，錦屏地下實驗室垂直岩石覆蓋達2400米，是目前世界岩石覆蓋最深的實驗室。它的建成標誌著中國已經擁有了世界一流的潔淨的低輻射研究平台，能夠自主開展像暗物質探測這樣的國際最前沿的基礎研究課題。目前，清華大學實驗組的暗物質探測器已經率先進入實驗室，並啟動探測工作，而明年上海交通大學等研究團隊也將進入這裏開展暗物質的探測研究。
地下實驗室在隧道裏
在建設二灘水電站過程中，四川錦屏山底曾修建了18公裏可以通行汽車的隧道，上麵是2500多米厚的山體岩石。這些平常的隧道，在那些苦苦尋找實驗環境的宇宙學研究者眼裏，卻成了“香餑餑”。上海交大今年2月剛成立的粒子物理宇宙學研究所，就相中了錦屏山隧道作為地下實驗室的建設地點。這裏將成為研究所成立後首個實驗的開展地，專門“搜捕”暗物質。目前這裏是世界上最優越的探測暗物質的環境。之所以稱之為最優，據交大物理係主任、粒子物理宇宙學研究所所長季向東介紹，該實驗室利用的是當地建水電站時修的地下隧道，在其側麵開挖長40米，寬、高各為6米的空間。因而與國外一些“脫胎”於礦井的地下實驗室相比，使用更為便利，不必坐著電梯上上下下，乘坐汽車就能“入地”。而埋深2500米的隧道，更是難得，因為埋得越深，宇宙射線的幹擾就越少。今年年底，地下實驗室基本結構將由二灘公司建成；明年，清華、交大將共同對實驗室作內部裝修，預計明年年底建成。
“地下工作”並無不適交大粒子物理宇宙學研究所特別研究員倪凱旋是暗物質探測國際合作項目XENON的交大組負責人，也是該實驗數據分析組組長。在去年的一年裏，他曾在意大利著名的GranSasso實驗室工作。GranSasso實驗室建在地下1400米，也是基於地下隧道建造的，在全球的地下實驗室中，空間是最大的。那裏，有十幾個大大小小的實驗同時在進行，有探測暗物質的，也有探測中微子等的。“從地麵上開車大概20分鍾，就能到達地下實驗室。”倪凱旋還記得第一次“入地”的感覺。戴上安全帽、穿著硬底鞋，進入實驗室，入眼是各種儀器設備。“那裏四季恒溫，冬暖夏涼，不需要用空調。唯一與地麵實驗室不同的是，那裏沒有窗戶，刮風下雨絲毫感覺不到，進去久了也容易讓人搞不清外界是白天還是黑夜。”“地下工作”時間久了，人是否會有不適？“地下實驗室的通風設備很好，絲毫不會感到氣悶，人在下麵呆個半天，不會有任何異樣的感覺。”倪凱旋說，一旦儀器運行穩定後，他隻需在地麵上的辦公室監控探測器運行即可，而地下實驗室的所有數據也會傳送至地麵，因而，科研人員無需24小時“守”著探測器。