第一节银河之水——暗物质
1.秘境追踪——暗物质
茫茫宇宙中，恒星间相互作用，做着各种各样的规则的轨道运动，而有些运动我们却找不到它们作用对应的物质。因此，人们设想，在宇宙中也许存着我们看不见的物质，这种物质就是暗物质。
暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的5％左右。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。
几十年前，暗物质刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4。同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。
暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。
不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。
大约65年前，人们第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了20世纪80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质才被人们广泛接受。
2.神奇力量——暗能量
在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的，这一临界值用来区分宇宙是封闭的还是开放的。
与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
当科学家意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。
暗能量和暗物质的唯一共同点是：它们既不发光也不吸收光。
从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀地分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70%～80%的差异。
之后，天文学家通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。
由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。
天文学家威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器的观测也独立地证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。
暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。
按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的特性，以及宇宙的过去和未来。如果加上暗能量的话，情况就完全不同了。
首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前证实宇宙在加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。
不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成。如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及“星系长城”。而在大尺度上能够促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。
另一方面，参与辐射的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常得小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论，因此得名。
但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道的两种暗物质是中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。
暗物质是决定宇宙的力量，它直接导致了宇宙星系结构的形成。
因此，揭开神奇奥妙的暗物质就是人类打开宇宙星系形成的一把钥匙。
第二节太空梦想——宇宙观念
1.纵横捭阖——“宇宙大尺度结构”
人们把10百万秒差距以上的结构叫做“宇宙的大尺度结构”。
目前观测到的宇宙的大小是104百万秒差距。
在宇宙大尺度结构中，非常少数的星系是单独存在的，这些通常都被认为是视场星系。许多星系和一定数量的星系之间有重力的束缚：包含有50个左右星系集团的星系群，以及更大的包含数千个星系、横跨数百万秒差距空间的星系集团。星系集团通常由一个巨大的椭圆星系统治着，它的潮汐力会摧毁邻近的卫星星系，并将质量加入星系中。超星系集团是巨大的集合体，拥有数万个星系，其中有星系群、星系集团和一些孤单的星系；在超星系集团尺度，星系汇排列成薄片状和细丝，环绕着巨大的空洞。在上述的尺度中，宇宙呈现出各向同性和均质。
银河是本星系群中的一员，相对来说是一个直径大约1022百万秒差距的小星系群。银河和仙女座星系是这个群中最大的两个星系，许多其他的矮星系都是这两个的卫星星系。本星系群是以室女座星系团为中心的巨大星系群与星系集团集合体的一部分。
星系在宇宙中呈网状分布。从大尺度看，星系包围着一个个像气泡一样的空白区域，在整体上形成类似蜘蛛网或神经网络的结构，这就是宇宙大尺度分布。
至今，大尺度上的观测事实远不是十分明确的。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状，也就是星系分布结构上有许多看不到星系的“空洞”区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。
这一层次的结构叫超星系团。
它的典型尺度为几十兆秒差距。
从演化理论来考虑，尺度大到一定程度，应不再有结构存在。
这是否符合事实，以及这尺度多大，都是十分重要的，并需要有大尺度观测来回答的问题。现今对宇宙在50百万秒差距以上是否还有显着的结构现象存在，正是人们热烈争论中的焦点。
现在看来，直至5000万秒差距的尺度为止，星系的分布呈现有层次的结构。
2.风雨无阻——宇宙观念和宇宙结构观念的发展
（1）宇宙演化观念的发展
在中国，早在西汉时期，《淮南子·俶真训》指出：“有始者，有未始有有始者，有未始有夫未始有有始者。”这是认为世界有它的开辟之时，有它的开辟以前的时期，也有它的开辟以前的以前的时期。《淮南子·天文训》中还具体勾画了世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天地万物生成演变的过程。在古希腊，也存在着类似的见解。例如留基伯就提出，由于原子在空虚的空间中作旋涡运动，结果轻的物质逃逸到外部的虚空，而其余的物质则构成了球形的天体，从而形成了我们的世界。
