大爆炸正處於危機中嗎？

暗物質，暗能量和宇宙膨脹的頑固問題使一些天文學家重新思考我們對早期宇宙的了解。

UGC 2885的直徑是銀河系的2.5倍，並擁有10倍的恆星，是當地宇宙中最大的旋渦星系之一。但是，這裡面不止是讓人眼前一亮：看不見的暗物質約佔UGC 2885質量的85％。薇拉·魯賓（Vera Rubin）在對這種神秘物質的開創性研究中發現了這個星系中的暗物質。

一系列有力的觀察清楚地表明，我們的宇宙已經膨脹了數十億年，這是從我們稱為大爆炸的炎熱密集狀態中產生的。在過去的幾十年中，新型的精確測量方法使科學家能夠仔細檢查和完善這一描述，從而使他們能夠更詳細地重建我們的宇宙歷史。當我們比較各種測量的結果時-宇宙的膨脹率，第一個原子形成時釋放的光的溫度模式，各種化學元素的豐度以及星系和其他大型結構的分布-我們找到了驚人的協議。這些證據中的每一個都支持這樣一個結論，即我們的宇宙正以大爆炸理論預測的方式擴展和發展。

但是宇宙學家一直在努力-即使不是徹底失敗-也要理解宇宙的基本面。我們對暗物質和暗能量幾乎一無所知，暗物質和暗能量合起來佔當今存在的總能量的95％以上。我們不了解宇宙的質子，電子和中子如何在大爆炸的後遺症中倖存下來。實際上，我們對物理學定律的所有了解都告訴我們，這些粒子早就應該被反物質破壞了。為了使我們觀察到的宇宙更有意義，宇宙學家被迫得出結論，即空間在其最早的時刻必須經歷了短暫而壯觀的超快速膨脹時期，這一事件被稱為宇宙膨脹。然而，我們幾乎對這個宇宙歷史的關鍵時代一無所知。

昏迷星團將數千個星系聚集到一個球體中，該球體的大小超過2000萬光年。弗裡茨·茲維奇（Fritz Zwicky）在​​1930年代發現了暗物質，當時他推斷出星系的移動速度太快而無法保持在一起，除非該星團包含的物質幾乎是所見物質的10倍。

這些謎題可能僅僅是結局，隨著宇宙學家繼續研究我們的宇宙，每個結局都會得到解決。但是到目前為止，這些問題已被證明非常頑固和持久。為了識別構成暗物質的單個顆粒，科學家設計並建立了一系列令人印象深刻的實驗-至今還沒有此類顆粒出現。甚至像大型強子對撞機這樣的強大粒子加速器也沒有發現任何東西可以使我們進一步解決這些宇宙之謎。儘管已經越來越詳細地測量了宇宙的膨脹歷史和大規模結構，但我們對暗能量的本質沒有獲得任何實質性的更多了解，而暗能量似乎正在加速宇宙的膨脹。

正是從這個角度出發，一些宇宙學家發現自己在問這些宇宙奧秘是否可能是比一些鬆散的線更重要的症狀。也許這些困惑並沒有看上去那麼無關緊要，而是集體地使我們指向了一個關於我們的宇宙及其最早時刻的截然不同的畫面。

我們沒有發現暗物質而學到的東西

暗物質可能是現代宇宙學家面臨的最著名的問題。天文學家已經確定，我們宇宙中的大多數物質都不是由原子或任何其他已知物質組成的，而是由別的東西組成的，這些東西不會明顯地輻射，反射或吸收光。儘管對暗物質的性質了解不多，但宇宙學家經常推測可能構成該物質的顆粒種類。尤其是，研究人員長期以來一直認識到，如果暗物質粒子通過大約與弱核力（控制放射性衰變）一樣強大的力相互作用，那麼應該從大爆炸中出現的這些粒子的數量將大致匹配當今宇宙中測得的大量暗物質含量。考慮到這一點，弱相互作用的大顆粒（WIMP）成為暗物質性質的最佳猜測。

儘管星系團中的暗物質通常會追蹤輻射光的普通物質，但ZwCl 0024 + 1652卻按照自己的方式發展。這個巨大的星團帶有一個暗物質環（藍色），跨度為260萬光年，看上去與可見的星系和氣體大為分離。

國會議員認為科學家認為他們知道如何檢測顆粒並研究其性質。受此目標的激勵，物理學家參與了一項雄心勃勃的實驗計劃，以識別這些WIMP，並了解它們是如何在「大爆炸」中被偽造的。在過去的幾十年中，研究人員已在深地下實驗室中部署了一系列靈敏度越來越高的暗物質探測器，這些探測器能夠探測暗物質粒子與組成目標的原子之間的單個碰撞。這些複雜的實驗表現出色–甚至優於設計。然而，還沒有觀察到這種碰撞。十年前，許多科學家對這些實驗會取得成果感到樂觀。但是事實證明，暗物質與我們曾經想像的完全不同，並且更加難以捉摸。

儘管暗物質仍可能由某種形式的難以檢測的WIMP組成，但是由於缺乏來自地下實驗的信號，許多物理學家將注意力轉向了其他暗物質候選者。一種這樣的競爭者是被稱為軸突的假想超輕粒子。根據粒子物理學家Roberto Peccei和Helen Quinn於1977年提出的理論預測軸突。儘管科學家在使用強磁場將其轉化為光子的實驗中尋找軸突，但這些研究尚未對性質進行嚴格的限制。

超級集群Abell 901/902擁有數百個星系和大量暗物質。洋紅色的團塊顯示了暗物質的分布，該分布來自哈勃太空望遠鏡的觀測結果，覆蓋在超團的地面圖像上。

另一個可能解釋為什麼暗物質如此難被發現的可能性是，宇宙的最初時刻表現出的變化遠不同於宇宙學家長期以來所想像的。以傳統的WIMP為例。計算表明，剛出生的宇宙在大爆炸之後的大約一百萬分之一秒內，當它們與周圍的夸克，膠子和其他亞原子粒子達到平衡狀態時，應該已經產生了大量的這些粒子。在這些條件下可以生存下來的，最終導致整個當今宇宙中發現的暗物質的WIMP數量取決於它們如何相互作用以及相互作用的頻率。但是當進行這樣的計算時，科學家通常認為，空間在第一秒的第一刻就穩定地擴展，沒有任何意外事件或過渡。完全不是這樣，這完全是合理的。

儘管宇宙學家對我們的宇宙在其大部分歷史中如何擴展和進化有很多了解，但他們對大爆炸之後的頭幾秒鐘知之甚少，而在萬億分之一秒的時間內幾乎一無所知。當談到我們的宇宙可能如何演變，或在最早的時刻發生的事件時，我們基本上沒有直接的觀察依據。這個時代是看不見的，埋在無法穿透的能量，距離和時間層之下。在許多方面，我們對宇宙歷史這一時期的理解僅是基於推斷和外推的明智猜測。時光倒流到足夠遠的地方，幾乎我們所了解的關於宇宙的一切都可能有所不同。物質和能量以與今天不同的形式存在，它們可能經歷了尚未被發現的力量。科學尚未闡明的關鍵事件和轉變可能已經發生。事物可能以不再存在的方式相互作用，並且時空本身的行為可能與我們所知道的世界不同。

螺旋星系NGC 3972構成了宇宙距離階梯中的關鍵環節。該星系包含數十個造父變星變量，天文學家用來測量到相對較近星系的距離，並在2011年託管了一顆Ia型超新星，這是一顆爆炸的白矮星，是尋找與更遙遠星系的距離的重要紐帶。科學家需要兩個標記來確定哈勃常數。

考慮到這一點，許多宇宙學家已經開始考慮以下可能性：我們無法檢測到構成暗物質的粒子可能不僅在告訴我們暗物質本身的性質，而且在告訴我們暗物質產生的時代。通過研究暗物質，科學家們正在學習大爆炸之後的第一課。

空間擴展有多快？

1929年，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）發現星系正以與距離成正比的速度遠離我們。這提供了我們宇宙正在擴展的第一個明確證據。從那時起，目前這種膨脹的速度（哈勃常數）一直是宇宙學家研究的宇宙的關鍵特性之一。可以說，長期以來很難測量哈勃常數。哈勃最初的決定受到系統性錯誤的困擾，這使他高估了擴展速度7倍。直到1990年代，教科書所引用的值範圍從每秒50公裡到每秒100公裡（百萬分之一秒）不等。分隔兩個空間點-通常寫為50至100 km / s / Mpc。（1兆帕秒[Mpc]等於326萬光年。）儘管在過去的二十年中，這些測量的精度已經有了很大的提高，但對於該量的正確值尚無共識。實際上，隨著這些測量方法的改進，來自不同方法的結果似乎彼此之間甚至存在更多分歧。

子粒子可能來自弱相互作用的大質量粒子（

IceCube中微子天文臺位於南極冰下，尋找宇宙中微子。其中一些亞原子粒子可能來自弱相互作用的大質量粒子（暗物質的主要候選者）的衰變，儘管尚未發現。

確定哈勃常數的一種方法是直接測量物體離開我們的速度，就像哈勃在1929年所做的那樣。哈勃使用一種特殊的脈動星，稱為造父變星，其內在光度與它們變亮和消失的時間。現代宇宙學家繼續將造父變星用於此目的，但他們還使用其他類別的物體，包括Ia型超新星-爆炸的白矮星都具有近似的發光度。當研究人員結合最新數據時，他們發現宇宙目前正在以約72至76 km / s / Mpc的速度擴展。

但這還不是故事的結局。宇宙學家還可以通過研究大爆炸後約38萬年後第一個原子形成時釋放的原始光來推斷哈勃常數的值。這種光的詳細溫度模式-被稱為宇宙微波背景-充當一張地圖，顯示了當時物質如何分布在整個宇宙中。經過仔細檢查，這張地圖揭示了許多有關我們年輕宇宙的細節，包括存在多少物質和其他形式的能量，以及空間擴展的速度。它也告訴我們，哈勃常數約為67 km / s / Mpc-遠小於宇宙學家通過更直接的測量發現的值。

天線星系（NGC 4038和NGC 4039）是兩個相互作用的螺旋，位於距地球6500萬光年的地方。這對星系是許多造父變星和Ia型超新星的宿主，是少數擁有兩種標準燭光並因此在兩者之間建立聯繫的系統之一。

這種不匹配對我們的宇宙意味著什麼？假設這些研究正確地解釋了觀測中固有的所有系統不確定性，那麼確定哈勃常數的這兩種方法似乎是不兼容的，至少在標準宇宙學模型的背景下如此。為了使這些不一致的結果相互一致，天文學家將被迫改變我們認為宇宙膨脹和演化的方式，或者重新考慮大爆炸之後的前幾十萬年中宇宙中物質和能量的形式。

根據愛因斯坦的廣義相對論，空間膨脹的速度取決於物質的密度和它所包含的其他形式的能量。當宇宙學家從宇宙微波背景推斷哈勃常數的值時，他們必須對暗物質，中微子和其他物質的存在量做出假設。解釋哈勃常數不同測量值之間的張力的最簡單方法可能是假設，在宇宙大爆炸之後的最初十萬年左右，宇宙中所含的能量比預期的要多。這種能量可能採取了一種奇特的形式，即光和微弱相互作用的粒子，或者某種形式的暗能量，這種暗能量與很久以來從宇宙中消失的空間本身的真空有關。也許對於宇宙歷史這個時代，我們還不了解。我們根本不知道如何解決這個有趣的謎團。

添加到此圖像的藍色映射了El Gordo星系團中暗物質的分布。天文學家通過觀察這種陰影物質如何扭曲更遠距離物

革命要來了嗎？

正如之前所說，宇宙學家今天面臨的各種難題可能僅僅是一些瑣碎的線索，在新的實驗和觀察的幫助下，科學家將在未來幾年很好地解決這些難題。但是最近，似乎我們越研究宇宙，對我們的了解就越少。儘管經過數十年的努力，暗物質的性質仍然未知，暗能量問題似乎幾乎是棘手的。我們不知道組成我們宇宙中原子的粒子如何在大爆炸的最初時刻得以倖存，而且我們對宇宙通貨膨脹，它如何發揮作用或如何結束也知之甚少-假設像通貨膨脹之類的事情發生了。

從這個角度來看，我有時發現自己正在考慮這些謎團是否代表比一些開放且無關的問題更大的問題。也許他們在告訴我們，宇宙的最早時刻與我們長期以來所想像的相去甚遠。也許這些問題代表了宇宙學革命的開始。有時我想知道我們是否會像1904年那樣處於科學史的重要懸崖上。那時，物理學似乎從未像現在這樣站穩腳跟。兩個多世紀以來，牛頓物理學原理已成功地應用於一個又一個問題。儘管物理學家將他們的知識擴展到電，磁和熱等領域，但世界的這些方面與牛頓數百年前所描述的那些領域確實並沒有太大不同。對1904年的物理學家來說，這個世界似乎已廣為人知。沒有理由期待一場革命。

歐洲航天局的普朗克衛星已經捕獲了有關宇宙微波背景輻射的最佳數據。將這些結果與描述宇宙的標準模型相結合，將產生一個哈勃常數，該常數比從附近星系收集到的哈伯常數稍小但毫不懷疑。

與當今宇宙學家所面臨的情況類似，然而，1904年的物理學家們尚未能夠解決一些挑戰。他們認為光通過的媒介-發光的醚-會引起光速的變化，但光始終以相同的速度在太空中移動。天文學家觀察到水星的軌道與牛頓物理學預測的略有不同，導致一些人暗示一個被稱為沃爾坎（Vulcan）的未知行星可能正在幹擾水星的軌跡。

1904年的物理學家不知道是什麼驅動了太陽-沒有已知的化學或機械過程可以在這麼長的時間內產生如此多的能量。最後，科學家們知道各種化學元素以特定的模式發射和吸收光，而物理學家都不知道該如何解釋。換句話說，原子的內部運作仍然是一個完全而完全的謎。

儘管很少有人看到它的出現，但事後看來，這些問題顯然是物理學革命的先驅。1905年，革命到來了，年輕的愛因斯坦（Albert Einstein）和他的新相對論引發了這場革命。現在我們知道，不存在發光的醚，也沒有瓦肯星。相反，這些小說是牛頓物理學潛在失敗的徵兆。相對論可以很好地解決和解釋所有這些謎團，而無需任何新物質或行星。此外，當科學家將相對論與新的量子物理學理論相結合時，就有可能解釋太陽的壽命以及原子的內部工作原理。這些新理論甚至打開了通往新的和以前無法想像的探究領域的大門，包括宇宙學本身。

科學革命可以深刻改變我們如何看待和理解我們的世界。但是，根本的變化永遠都不容易看到。也許沒有辦法說出，當今宇宙學家面臨的謎團是即將進行的科學革命的信號，還是僅僅是取得了令人難以置信的成功科學努力的最後幾個鬆散的結局。

毫無疑問，我們在了解我們的宇宙，其歷史和起源方面取得了不可思議的進步。但同樣不可否認的是，我們深感困惑，尤其是在涉及宇宙歷史的最早時刻時。我毫不懷疑，這些時刻擁有不可思議的秘密，也許是新的科學革命的關鍵。但是，我們的宇宙密不可分。我們需要從它的掌握中哄騙那些秘密，將它們從神秘變成發現。