暗物质，暗能量和宇宙膨胀的顽固问题使一些天文学家重新思考我们对早期宇宙的了解。
UGC 2885的直径是银河系的2.5倍，并拥有10倍的恒星，是当地宇宙中最大的旋涡星系之一。但是，这里面不止是让人眼前一亮：看不见的暗物质约占UGC 2885质量的85％。薇拉·鲁宾（Vera Rubin）在对这种神秘物质的开创性研究中发现了这个星系中的暗物质。
一系列有力的观察清楚地表明，我们的宇宙已经膨胀了数十亿年，这是从我们称为大爆炸的炎热密集状态中产生的。在过去的几十年中，新型的精确测量方法使科学家能够仔细检查和完善这一描述，从而使他们能够更详细地重建我们的宇宙历史。当我们比较各种测量的结果时-宇宙的膨胀率，第一个原子形成时释放的光的温度模式，各种化学元素的丰度以及星系和其他大型结构的分布-我们找到了惊人的协议。这些证据中的每一个都支持这样一个结论，即我们的宇宙正以大爆炸理论预测的方式扩展和发展。
但是宇宙学家一直在努力-即使不是彻底失败-也要理解宇宙的基本面。我们对暗物质和暗能量几乎一无所知，暗物质和暗能量合起来占当今存在的总能量的95％以上。我们不了解宇宙的质子，电子和中子如何在大爆炸的后遗症中幸存下来。实际上，我们对物理学定律的所有了解都告诉我们，这些粒子早就应该被反物质破坏了。为了使我们观察到的宇宙更有意义，宇宙学家被迫得出结论，即空间在其最早的时刻必须经历了短暂而壮观的超快速膨胀时期，这一事件被称为宇宙膨胀。然而，我们几乎对这个宇宙历史的关键时代一无所知。
昏迷星团将数千个星系聚集到一个球体中，该球体的大小超过2000万光年。弗里茨·兹维奇（Fritz Zwicky）在1930年代发现了暗物质，当时他推断出星系的移动速度太快而无法保持在一起，除非该星团包含的物质几乎是所见物质的10倍。
这些谜题可能仅仅是结局，随着宇宙学家继续研究我们的宇宙，每个结局都会得到解决。但是到目前为止，这些问题已被证明非常顽固和持久。为了识别构成暗物质的单个颗粒，科学家设计并建立了一系列令人印象深刻的实验-至今还没有此类颗粒出现。甚至像大型强子对撞机这样的强大粒子加速器也没有发现任何东西可以使我们进一步解决这些宇宙之谜。尽管已经越来越详细地测量了宇宙的膨胀历史和大规模结构，但我们对暗能量的本质没有获得任何实质性的更多了解，而暗能量似乎正在加速宇宙的膨胀。
正是从这个角度出发，一些宇宙学家发现自己在问这些宇宙奥秘是否可能是比一些松散的线更重要的症状。也许这些困惑并没有看上去那么无关紧要，而是集体地使我们指向了一个关于我们的宇宙及其最早时刻的截然不同的画面。
我们没有发现暗物质而学到的东西
暗物质可能是现代宇宙学家面临的最著名的问题。天文学家已经确定，我们宇宙中的大多数物质都不是由原子或任何其他已知物质组成的，而是由别的东西组成的，这些东西不会明显地辐射，反射或吸收光。尽管对暗物质的性质了解不多，但宇宙学家经常推测可能构成该物质的颗粒种类。尤其是，研究人员长期以来一直认识到，如果暗物质粒子通过大约与弱核力（控制放射性衰变）一样强大的力相互作用，那么应该从大爆炸中出现的这些粒子的数量将大致匹配当今宇宙中测得的大量暗物质含量。考虑到这一点，弱相互作用的大颗粒（WIMP）成为暗物质性质的最佳猜测。
尽管星系团中的暗物质通常会追踪辐射光的普通物质，但ZwCl 0024 + 1652却按照自己的方式发展。这个巨大的星团带有一个暗物质环（蓝色），跨度为260万光年，看上去与可见的星系和气体大为分离。
国会议员认为科学家认为他们知道如何检测颗粒并研究其性质。受此目标的激励，物理学家参与了一项雄心勃勃的实验计划，以识别这些WIMP，并了解它们是如何在“大爆炸”中被伪造的。在过去的几十年中，研究人员已在深地下实验室中部署了一系列灵敏度越来越高的暗物质探测器，这些探测器能够探测暗物质粒子与组成目标的原子之间的单个碰撞。这些复杂的实验表现出色–甚至优于设计。然而，还没有观察到这种碰撞。十年前，许多科学家对这些实验会取得成果感到乐观。但是事实证明，暗物质与我们曾经想象的完全不同，并且更加难以捉摸。
尽管暗物质仍可能由某种形式的难以检测的WIMP组成，但是由于缺乏来自地下实验的信号，许多物理学家将注意力转向了其他暗物质候选者。一种这样的竞争者是被称为轴突的假想超轻粒子。根据粒子物理学家Roberto Peccei和Helen Quinn于1977年提出的理论预测轴突。尽管科学家在使用强磁场将其转化为光子的实验中寻找轴突，但这些研究尚未对性质进行严格的限制。
超级集群Abell 901/902拥有数百个星系和大量暗物质。洋红色的团块显示了暗物质的分布，该分布来自哈勃太空望远镜的观测结果，覆盖在超团的地面图像上。
另一个可能解释为什么暗物质如此难被发现的可能性是，宇宙的最初时刻表现出的变化远不同于宇宙学家长期以来所想象的。以传统的WIMP为例。计算表明，刚出生的宇宙在大爆炸之后的大约一百万分之一秒内，当它们与周围的夸克，胶子和其他亚原子粒子达到平衡状态时，应该已经产生了大量的这些粒子。在这些条件下可以生存下来的，最终导致整个当今宇宙中发现的暗物质的WIMP数量取决于它们如何相互作用以及相互作用的频率。但是当进行这样的计算时，科学家通常认为，空间在第一秒的第一刻就稳定地扩展，没有任何意外事件或过渡。完全不是这样，这完全是合理的。
尽管宇宙学家对我们的宇宙在其大部分历史中如何扩展和进化有很多了解，但他们对大爆炸之后的头几秒钟知之甚少，而在万亿分之一秒的时间内几乎一无所知。当谈到我们的宇宙可能如何演变，或在最早的时刻发生的事件时，我们基本上没有直接的观察依据。这个时代是看不见的，埋在无法穿透的能量，距离和时间层之下。在许多方面，我们对宇宙历史这一时期的理解仅是基于推断和外推的明智猜测。时光倒流到足够远的地方，几乎我们所了解的关于宇宙的一切都可能有所不同。物质和能量以与今天不同的形式存在，它们可能经历了尚未被发现的力量。科学尚未阐明的关键事件和转变可能已经发生。事物可能以不再存在的方式相互作用，并且时空本身的行为可能与我们所知道的世界不同。
螺旋星系NGC 3972构成了宇宙距离阶梯中的关键环节。该星系包含数十个造父变星变量，天文学家用来测量到相对较近星系的距离，并在2011年托管了一颗Ia型超新星，这是一颗爆炸的白矮星，是寻找与更遥远星系的距离的重要纽带。科学家需要两个标记来确定哈勃常数。
考虑到这一点，许多宇宙学家已经开始考虑以下可能性：我们无法检测到构成暗物质的粒子可能不仅在告诉我们暗物质本身的性质，而且在告诉我们暗物质产生的时代。通过研究暗物质，科学家们正在学习大爆炸之后的第一课。
空间扩展有多快？
1929年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）发现星系正以与距离成正比的速度远离我们。这提供了我们宇宙正在扩展的第一个明确证据。从那时起，目前这种膨胀的速度（哈勃常数）一直是宇宙学家研究的宇宙的关键特性之一。可以说，长期以来很难测量哈勃常数。哈勃最初的决定受到系统性错误的困扰，这使他高估了扩展速度7倍。直到1990年代，教科书所引用的值范围从每秒50公里到每秒100公里（百万分之一秒）不等。分隔两个空间点-通常写为50至100 km / s / Mpc。（1兆帕秒[Mpc]等于326万光年。）尽管在过去的二十年中，这些测量的精度已经有了很大的提高，但对于该量的正确值尚无共识。实际上，随着这些测量方法的改进，来自不同方法的结果似乎彼此之间甚至存在更多分歧。
子粒子可能来自弱相互作用的大质量粒子（
IceCube中微子天文台位于南极冰下，寻找宇宙中微子。其中一些亚原子粒子可能来自弱相互作用的大质量粒子（暗物质的主要候选者）的衰变，尽管尚未发现。
确定哈勃常数的一种方法是直接测量物体离开我们的速度，就像哈勃在1929年所做的那样。哈勃使用一种特殊的脉动星，称为造父变星，其内在光度与它们变亮和消失的时间。现代宇宙学家继续将造父变星用于此目的，但他们还使用其他类别的物体，包括Ia型超新星-爆炸的白矮星都具有近似的发光度。当研究人员结合最新数据时，他们发现宇宙目前正在以约72至76 km / s / Mpc的速度扩展。
但这还不是故事的结局。宇宙学家还可以通过研究大爆炸后约38万年后第一个原子形成时释放的原始光来推断哈勃常数的值。这种光的详细温度模式-被称为宇宙微波背景-充当一张地图，显示了当时物质如何分布在整个宇宙中。经过仔细检查，这张地图揭示了许多有关我们年轻宇宙的细节，包括存在多少物质和其他形式的能量，以及空间扩展的速度。它也告诉我们，哈勃常数约为67 km / s / Mpc-远小于宇宙学家通过更直接的测量发现的值。
天线星系（NGC 4038和NGC 4039）是两个相互作用的螺旋，位于距地球6500万光年的地方。这对星系是许多造父变星和Ia型超新星的宿主，是少数拥有两种标准烛光并因此在两者之间建立联系的系统之一。
这种不匹配对我们的宇宙意味着什么？假设这些研究正确地解释了观测中固有的所有系统不确定性，那么确定哈勃常数的这两种方法似乎是不兼容的，至少在标准宇宙学模型的背景下如此。为了使这些不一致的结果相互一致，天文学家将被迫改变我们认为宇宙膨胀和演化的方式，或者重新考虑大爆炸之后的前几十万年中宇宙中物质和能量的形式。
根据爱因斯坦的广义相对论，空间膨胀的速度取决于物质的密度和它所包含的其他形式的能量。当宇宙学家从宇宙微波背景推断哈勃常数的值时，他们必须对暗物质，中微子和其他物质的存在量做出假设。解释哈勃常数不同测量值之间的张力的最简单方法可能是假设，在宇宙大爆炸之后的最初十万年左右，宇宙中所含的能量比预期的要多。这种能量可能采取了一种奇特的形式，即光和微弱相互作用的粒子，或者某种形式的暗能量，这种暗能量与很久以来从宇宙中消失的空间本身的真空有关。也许对于宇宙历史这个时代，我们还不了解。我们根本不知道如何解决这个有趣的谜团。
添加到此图像的蓝色映射了El Gordo星系团中暗物质的分布。天文学家通过观察这种阴影物质如何扭曲更远距离物
革命要来了吗？
正如之前所说，宇宙学家今天面临的各种难题可能仅仅是一些琐碎的线索，在新的实验和观察的帮助下，科学家将在未来几年很好地解决这些难题。但是最近，似乎我们越研究宇宙，对我们的了解就越少。尽管经过数十年的努力，暗物质的性质仍然未知，暗能量问题似乎几乎是棘手的。我们不知道组成我们宇宙中原子的粒子如何在大爆炸的最初时刻得以幸存，而且我们对宇宙通货膨胀，它如何发挥作用或如何结束也知之甚少-假设像通货膨胀之类的事情发生了。
从这个角度来看，我有时发现自己正在考虑这些谜团是否代表比一些开放且无关的问题更大的问题。也许他们在告诉我们，宇宙的最早时刻与我们长期以来所想象的相去甚远。也许这些问题代表了宇宙学革命的开始。有时我想知道我们是否会像1904年那样处于科学史的重要悬崖上。那时，物理学似乎从未像现在这样站稳脚跟。两个多世纪以来，牛顿物理学原理已成功地应用于一个又一个问题。尽管物理学家将他们的知识扩展到电，磁和热等领域，但世界的这些方面与牛顿数百年前所描述的那些领域确实并没有太大不同。对1904年的物理学家来说，这个世界似乎已广为人知。没有理由期待一场革命。
欧洲航天局的普朗克卫星已经捕获了有关宇宙微波背景辐射的最佳数据。将这些结果与描述宇宙的标准模型相结合，将产生一个哈勃常数，该常数比从附近星系收集到的哈伯常数稍小但毫不怀疑。
与当今宇宙学家所面临的情况类似，然而，1904年的物理学家们尚未能够解决一些挑战。他们认为光通过的媒介-发光的醚-会引起光速的变化，但光始终以相同的速度在太空中移动。天文学家观察到水星的轨道与牛顿物理学预测的略有不同，导致一些人暗示一个被称为沃尔坎（Vulcan）的未知行星可能正在干扰水星的轨迹。
1904年的物理学家不知道是什么驱动了太阳-没有已知的化学或机械过程可以在这么长的时间内产生如此多的能量。最后，科学家们知道各种化学元素以特定的模式发射和吸收光，而物理学家都不知道该如何解释。换句话说，原子的内部运作仍然是一个完全而完全的谜。
尽管很少有人看到它的出现，但事后看来，这些问题显然是物理学革命的先驱。1905年，革命到来了，年轻的爱因斯坦（Albert Einstein）和他的新相对论引发了这场革命。现在我们知道，不存在发光的醚，也没有瓦肯星。相反，这些小说是牛顿物理学潜在失败的征兆。相对论可以很好地解决和解释所有这些谜团，而无需任何新物质或行星。此外，当科学家将相对论与新的量子物理学理论相结合时，就有可能解释太阳的寿命以及原子的内部工作原理。这些新理论甚至打开了通往新的和以前无法想象的探究领域的大门，包括宇宙学本身。
科学革命可以深刻改变我们如何看待和理解我们的世界。但是，根本的变化永远都不容易看到。也许没有办法说出，当今宇宙学家面临的谜团是即将进行的科学革命的信号，还是仅仅是取得了令人难以置信的成功科学努力的最后几个松散的结局。
毫无疑问，我们在了解我们的宇宙，其历史和起源方面取得了不可思议的进步。但同样不可否认的是，我们深感困惑，尤其是在涉及宇宙历史的最早时刻时。我毫不怀疑，这些时刻拥有不可思议的秘密，也许是新的科学革命的关键。但是，我们的宇宙密不可分。我们需要从它的掌握中哄骗那些秘密，将它们从神秘变成发现。
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