22.10. 大爆炸的证据；膨胀模型¶
什么证据导致和支持大爆炸模型？已经描述了两种可接受的证明线：1）大爆炸第一分钟各种基本粒子的产生和逐步出现的细节；这些是历史的结果，可以用相对论和量子物理学来预测和解释，也就是说，理论的产生和序列粒子（导致观测到的H、He和Li的数量）与基于大爆炸规则的模型一致；以及2）最远星系的观测，特别是从hst观测到的，在外观和发展上更为原始，即在进化的早期阶段，因为它们更老，这正是expan所预期的结果。SiON模型。但是，更具说服力的是另外两个物理观测，它们最能解释宇宙大爆炸的起源，特别是在其膨胀行为方面：星系中恒星的红移光作为复合光源，宇宙背景辐射。
第一个是由被测物泄露的相对速度得出的。 红移 辐射波长。这是由V.M.Slipher在1912年发现的，然后与天文学家EdwinHubble在1924年的宇宙膨胀联系在一起。事实上，H.罗伯逊更早地注意到，星系离我们的望远镜越远，红移就越大；但哈勃通常因红移速度-距离关系而受到赞扬，因为他将更多的星系作为数据点。哈勃观测到的一些偏移导致估计星系速度为1亿kph，大约是光速的0.1。
在地球上的日常生活中，可以体验到波长变化效应的一种表现形式是一种可听见的现象：当快速移动的火车接近时，回忆一下汽笛或喇叭的声音，然后驶过十字路口，在那里你会停下来。声音的音调有系统地变化，在接近时上升，然后在列车经过后后退时下降。这种波长缩短（高音距）的方法和延长（低音距）与衰退被称为 多普勒效应 由移动源和静止接收器之间的速度和/或位置变化（相对运动）引起。
当应用到宇宙中时，波长移动被称为 宇宙学红移 . 从相对论的观点来看，虽然宇宙红移的作用类似于“双光子”，但它类似于光的“拉伸”，这是由于空间的连续膨胀（弯曲）而导致的距离的逐渐增加所致。这反过来导致lin成比例增加。 隐性速度 （因此，在速度v=d/t的公式中，与稳定时间进程相关的d随着离地球距离的增加而变化）（回想一下Cosmo-4页上的橡皮筋类比）。（注：还有一种引力红移效应，即辐射（光）的波长在从一个光源到另一个观察者经过巨大的扰动体的过程中延长。）
当发出辐射的恒星或星系从观测（测量）仪器（在地球上或地球附近的某个地方）后退时，与光谱中某条特定线相关的参考波长（通常记录在显示代表所有被探测元素波长分布特征的多条线的照相板上）。给定元素在地上或激发态在可见光下会发生位移（delta 
/ ）朝着红色（可见光谱的较长波长、较低能量端）甚至近红外方向移动；如果身体朝着观察者前进，则会朝着蓝色（较短波长）移动。例如，CA++ 在恒星或星系的辐射（em）发射中存在的吸收线是以其观察到的（位移）较长的波长测量的，然后将其与通过在发射光谱仪中激发地球上的元素而获得的（静止状态）光谱中的等效线的波长进行比较。由于红移与速度有关，因此它的大小直接指示衰退的速度，也就是说，红移越大，速度就越大。
要应用红移来估计R（比例因子），必须确定到移位体的距离。在我们自己的银河系中，可以在可见的恒星上进行距离测量，这些恒星的大小可以直接确定。一种技术是视差观测。虽然这里没有完全解释，但这个简单的实验可以感觉到这项技术的要点：先把食指放在鼻子前面约6英寸处，然后快速交替地闭上左眼，然后反复闭上右眼。你的手指看起来会相对固定的背景前后移动，可能看起来会移动几英寸。现在，把你的手指伸出来（大约24英寸），做同样的事情。注意，现在位移较小。这就是视差效应。移动量随距离的增加而减小，该距离可通过简单的三角法确定。当用于测量大约100秒（326光年）内的恒星时，左眼和右眼的位置由距离地球椭圆轨道6个月的相对点的位置来表示。一颗恒星相对于遥远背景恒星的明显偏移，即使比手指实验的偏移小得多，也足以为接近地球的恒星体提供精确的距离测量。
更遥远的类星体的红移测量实际上是在星系（它们的单个恒星可能无法分辨）上进行的，这些星系的光度是所有组成恒星的平均值。与包含可分离恒星的主星系的近似距离依赖于确定 造父变星超巨星 在他们里面。造父变星是由几种类型的恒星组成的，最早于1912年在麦哲伦星云中发现，它们显示出与脉冲周期（恒星越亮，周期越长）成比例的有规律的脉动光度变化。造父变星会在几天的时间里爆发到最亮的时候，然后变暗。当埃德温·哈勃在1924年绘制出这个周期时，他注意到这个关系，周期越长，内在亮度的增加越大。一旦根据该关系计算出绝对光度，则该值的视亮度（观察到的）下降可被视为距离r（1/r:sup:2`）平方的反函数。造父变星法在1000万光年的距离内运行良好。对于较远的星系，已经制定并应用了其他测量距离的方法（例如丰富的星系团-最亮的星系指示器，其可用近似值为100亿l.y.）（它们的精确度不同）；使用多种适用于不同距离的方法被称为宇宙距离lad。德。
rec - em ） em = V/C，在哪里 em 是过去（然后）发射星系或恒星发出的波长， rec 今天（现在）探测器（在地球上）接收到的偏移波长，V是特定红移的隐性速度（可转换为隐性速度V）r ）c是光速。（上述公式适用于低到中等z's，但对于大z's，则为修正表达式 [这里没有给出] 必须使用。）另一个关系：z=1/r（tem ）-1用与t相关的标度因数r来描述红移。em 它指的是光发出的特定时间。这种关系也可以通过以下方式进行转换：D now /d:sub:then`=r:sub:`now /r:sub:`then`=z+1，
其中D now 是接收到光时到发射器的距离，dthen 指光离开发射器时过去的距离。
我们看到红移（向长波方向），因为当光离开发射器时，宇宙有不同的比例因子。红移是由于空间的相对膨胀（增加了“d” [为了距离] ）而不是实际加速更遥远的星系。请看前面Cosmo-4页上的两个圆图。注意表示波长序列一部分的S形卷曲。它在左边的圆上有一个较短的波长；随着圆的坐标扩大，注意右边的波长现在更长了。
埃德温·哈勃确实被公认为是宇宙膨胀模型背后的关键人物，后来从中产生了关于其起源的大爆炸概念。（顺便说一句，现在著名的术语“大爆炸”是由弗雷德·霍伊尔创造的，这有点贬义，因为他长期以来反对扩张，更倾向于他的稳态宇宙模型。）哈勃注意到，当衰退速度为r 测量了大范围天文距离的恒星源D，V的图r /D揭示了一个直线关系，它的斜率有一个值h，称为哈勃常数，以他的名字命名。（事实上，这个比例常数可能不是永久不变的，也就是说，如果要求膨胀率变化的模型是正确的，那么在过去的宇宙时代，它可能具有不同的斜率值。）这可以重述为vr = HD。也就是说，隐性速度随着距离宇宙中任何一点（例如地球）的距离的增加而增加（单位为km/sec/megaparsec）。这就是哈勃定律，它是大爆炸膨胀的基本陈述。它最有效（给出一条直线），从距离数十亿光年或更少的星系的V与R图中得出；距离正确性的不确定性导致图中出现散射，表明（或掩盖）与空间曲率累积效应相关的某种程度的非线性。该定律最适用于支持开放宇宙的观测。
最近对h的当前值的估计高达50至100 km/sec/megaparsec（parsec为3.26 l.y）。（在H的某些表达式中，百万分之一秒被100万（10:sup：6）光年取代；因此75 km/sec/mpc=23 km/sec/106 哈勃望远镜的一个目标是更好地确定这个值——这对于精确估计宇宙年龄至关重要。平面膨胀宇宙的年龄是用公式t计算的。0 ＝0.67／h 0 以秒为单位必须转换为年）；对于球形或双曲线宇宙，年龄表达式变为：t0 ＝1／h 0 h值越低，t值越大。0 这样宇宙就变老了。从各种HST和基于地球的观测结果来看，65至87 km/sec/mpc之间的一组值正在累积。第一次报道的hst衍生年龄在8-12ga之间，与先前报道的12-18ga范围相比异常低，特别令人不安的是，独立的证据表明一些遥远的星系比12ga更古老。
在过去的8年里，由HST小组分析的观测数据表明，这些初始值确实太低了，他们的主要任务是用一个更精确的哈勃常数来确定宇宙的年龄。1999年5月，研究小组公布了目前哈勃常数的最佳估计值：70公里/秒/英里/小时，年龄在12到135亿岁之间。年龄不确定度表示该常数值的精度变化在+/-10%以内。他们的结果取决于对离地球6700万公升范围内18个星系红移的分析；在这些星系中，他们发现了多达800颗造父变星，这是最可靠的大距离指标。根据对18个星系的综合测定，这一膨胀率的最佳估计使速度每330万升/小时增加256000公里/小时（160000英里/小时）。离地球更远的恒星实体（星系或单个恒星）。大多数天文学家都接受这个值，但一些人（如艾伦·桑达奇及其同事）对这个结论持异议，他们根据计算引用了更老的年龄。最近一次年龄估计的一个结果是，据说距离为130亿公升的星系（见A页-）必须位于宇宙的可观测边缘附近。
决定宇宙年龄的关键因素是它的总密度（质量和能量）和减速参数的值（与哈勃尺度因子有关），如本页其他地方所讨论的。它们规定了星系膨胀的速率，进而揭示了星系到达星系最远的距离所需的时间。 可观察的 空间（即，极限或地平线，定义为自宇宙开始以来一直在向地球观测站发射辐射的最远天体；这将由在大爆炸早期能够发射可探测辐射的材料的第一个遗迹来标记；到目前为止，探测器可以探测到ERING光学和其他光谱区域尚未发现这些最古老的来源，因此目前可观测的宇宙比总可观测宇宙要小。
哈勃方程规定，最快后退的物体必须离得最远。在一个不断膨胀的宇宙中，所有的星系最终都会相互分离，逐渐远离的星系必须以比例更高的速度，但在各个方向上的速率相同，以在这些膨胀的运动中保持空间关系的整体一致性。一般来说，越远 回环 时间，在这样的时间里，宇宙的大小越小，物质和能量的早期膨胀状态就越热，越密集。
因为大多数对遥远星系的星系测量显示出红移而不是蓝移（后者主要出现在附近向我们移动的星系中 [仙女座正以大约360000公里/小时的速度接近地球。] 或者可以在单个螺旋星系中看到，当一个旋臂向地球移动时，这一整体（净）衰退的证据是大爆炸膨胀模型的主要证据。红移与 隐性速度 （与光速成正比的）指数曲线，当光速接近时，光速迅速向无穷大方向上升。大多数来自较远星系的z测量值提供了介于0和1之间的数值（例如，z=0.1表示大约10亿光年的距离）。更远的星系显示1.2的红移，相当于80亿光年的年龄；HST现在已经观察到许多z高达2+的星系；遥远的类星体，大约在100-110亿l.y之外，有3-4或更高的偏移（在大爆炸时间更早的观测年龄）；迄今为止发现的最远的距离是130亿l.y。钍。迄今为止，探测到的最远的星系的红移Z接近5（达到光速的90%），代表了大爆炸后大约10亿年内形成的星系。这些类星体通常是由年轻的（原星系）气云形成的，当时它们在观测到的大约3000 K的温度下发射光子（参考理想化的黑体——完全吸收所有波长的入射辐射并作为一个完美的发射体）；在该温度下，波长特征pea但是，在约1μm处，在较高的Z值下，实际黑体温度可能会高得多，导致紫外线中出现峰值）。
根据哈勃方程和Z值，可以计算出星系团距地球距离作为观测参照系的隐性速度。选择一个哈勃常数，这个常数给出了宇宙年龄为15ga时，一个星系每百万l.y后退25公里/秒，更进一步，我们就可以看到太空。对于处女座中距离7800万光年的星团，衰退速度约为1200公里/秒。对于bootes集群，25亿l.y.，速度增加到22000 km/sec。星系的距离约为50亿公升，其速度约为光速的三分之一（100000公里/秒）。最远的观测源（主要是类星体）达到接近光速的隐性速度。同样类型的速度分布也会在宇宙中的任何其他观测点（例如由遥远的星系“文明”建立的）被确定。
随着高铁观测的积累，很明显，凭借它的分辨力，星系中的结构仍然可以被确定为大约40亿光年。目前的证据是，超过2.75的z值，没有螺旋星系出现。那些躺得更远的似乎是椭圆的，或者通常是“不规则的”（没有规则的形式）。由于这些星系较老，这意味着螺旋星系在星系演化后期才可能形成。与年轻的螺旋相比，早期形成的一些螺旋有一个额外的手臂。
（另一种机制可能导致红移，即重力对辐射的影响。这个 引力红移 是广义相对论的结果。当光离开一个巨大的引力源，如白矮星时，引力会使光向一个较长的波长移动；相反，光进入一个巨大的引力场时，会发生蓝移。这一效应已经被观察到对包括黑洞在内的超大型轻掠体。总的来说，这种效应局限于或局限于单个物体，通常这种位移非常小，因此，与运动引起的宇宙红移（与膨胀有关）相比，从空间最外层到达地球的光的累积效应也相当小。）
宇宙大爆炸的另一个可靠证据是发现宇宙背景辐射（CBR）峰值接近1毫米（1000微米）的波长。 [微米] ）它位于电磁频谱的远红外/微波边界区域。这是黑体辐射源的预期波长，黑体辐射源的温度现在是2.73K.G.Gamow和他的同事们在1948年首次预测了这种辐射（他们对其峰值的估计是5K）。这种光子辐射是从宇宙大爆炸时释放的原始辐射（比红外辐射热得多，因此红外辐射的波长要短得多）继承而来的，在去耦时代之后首次显现出来，在整个宇宙中似乎是均匀的和各向同性的。3 K值与一个预测模型相一致，该模型要求在大爆炸早期释放的高能高温辐射（主要是伽马射线，波长较短）通过宇宙内部的热力学膨胀（至少具有当前观测到的空间极限）彻底冷却。
1965年，R.Wilson和A.Penzias（他们获得诺贝尔奖；实际上，E.Ohm在1961年首次检测到类似的信号，然后由B.Burke验证，但与CBR预测无关）在微波区域提取了7.3厘米（4.1 GHz）处的弱射电望远镜信号（减去接收器噪声后）。它与宇宙背景辐射的相关性，然后被R.Dicke和他的普林斯顿小组证实。这项测试，连同哈勃的工作，爱因斯坦的广义相对论，由LeaMeRe开创的原始奇特的概念，古思的通货膨胀模型，以及众多宇宙学家、天文学家、物理学家和数学家的共同贡献，构成了SU的关键基础概念。以现在的形式来解释大爆炸。进一步的发现可能会导致改进，但从一般模型预测的基本概念和适当的数字现在似乎得到了可靠的证实。
1987年发射的COBE（宇宙背景探测器）很好地说明了卫星在这一改进过程中的价值。斯莫特和其他人早先尝试用气球和飞机绘制整个天空的明显非变异（均匀）背景辐射图，在大气层上方进行测量，以阻挡（吸收）光谱.001到0.1米范围内的辐射，这强烈暗示了辐射均匀性，但受到不精确的影响。利用COBE，地图绘制过程得到了很大的改进，仅用了一年时间就完成了一张覆盖整个天空的详细图表。Cobe验证了当前背景在各个方向上的高度一致性，也证实了总体扩展在各个方向上是非常均匀的。此外，Cobe对黑体曲线中涉及的大部分波长进行了非常精确的读数，这些黑体曲线是由2.7K物体的实验确定的，证明了背景辐射以高于99%的准确度符合该曲线（在大多数科学测量中很少取得惊人的成就）。
COBE还允许将宇宙早期阶段的辐射映射到一个精确的位置，这样它就可以在时间零点后的前十亿年中，显示出温度和密度的微小变化，只有十万分之一。下面的地图显示了COBE的差分微波辐射计（DMR）利用53和90千兆赫的数据探测到的早期宇宙中微小温差的广泛分布。蓝色代表略冷，红色代表略热的温度，因此也定义了密度较大和较小的区域。
然而，这些微小的差异对于让物质从最初的极端均匀性突破到原星系可能开始形成的稍冷、密度更大的区域至关重要。最终，在早期宇宙中，这些种子的涨落促进了粒子的局部凝结，这些粒子变成了引力中心，引力的增加最终导致了数十亿星系的发展，这些星系构成了我们现在所知道的宇宙。Cobe的研究结果证明了理解早期宇宙，特别是它探测到的微小但关键的波动，更复杂的卫星map（微波各向异性探测器）将于2000年发射。
COBE允许通过对光谱的另一部分取样来估计宇宙中的总能量。这是利用机载漫射红外背景实验仪器对远红外辐射进行细致分析的结果。这项技术利用140和240微米的窗口测量分布在整个宇宙中的尘埃的加热。然而，整个背景被银河系内和周围的尘埃和其他来源、地球大气和其他需要校正的来源“污染”。程序如图所示：
上面的面板显示了整个宇宙红外辐射的天空图，其中一条明亮的中心带代表了银河系的贡献。中心投影是除去黄道光后的变化。底部面板是银河系的影响被消除后宇宙的剩余红外辐射。净效应是，由于尘埃（从近地到星系际）的遮蔽，宇宙中作为“化石辐射”存在的星光比之前所怀疑的要多得多，这些尘埃的影响现在已经被这一修正的德伯清单所考虑。
dr/dt=（8πg）/3 rho r2 -KC\ 2
其次是：
H 2 -（8π）/3 g rho=-kr:sup:2
几个宇宙学场景，以最初提出每个场景的科学家（几个科学家提出了多个模型）命名，对于不同的扩展模式，会导致不同的最终结果（下图显示了四个模型）。
一般来说，他们都遵循宇宙学原理，即宇宙既是宇宙又是宇宙。 同种类的 和 各向同性的 （基本上是物质/能量在各个方向上的平均分布）在最大尺度上（这在星系团规模上是不违背的，因为在宇宙尺度上，它们在任何地方看起来都有许多相同的模式，从而趋向于“平滑化”）。开放模型也必须符合热力学第二定律的限制，从宇宙学的观点来看，第二定律指出随着时间的推移 熵 （一个系统无序度的测量）必须最终增加到（或接近）一个最大值（整体无序度）；以一个普遍的尺度解释，这将导致星系及其恒星完全分散（可能重新排列为随机分布的黑洞），黑体温度接近零。一个推论认为初始奇点具有最小熵，然后在大爆炸的第一个瞬间迅速增加。
MODEL |
GEOMETRY |
L |
Q |
FATE |
爱因斯坦 |
球形的 |
L c |
0 |
不稳定：塌陷或扩张 |
德西特 |
平的 |
> 0 |
-1 |
指数膨胀 |
稳态 |
平的 |
> 0 |
-1 |
指数膨胀 |
勒迈特雷 |
球形的 |
> c |
< 0 |
展开；悬停；展开 |
负L |
任何 |
< 0 |
> 0 |
大挤压 |
关闭 |
球形的 |
0 |
> |
大挤压 |
爱因斯坦·德西特 |
平的 |
0 |
γ |
永远扩张 |
正常开放 |
双曲线的 |
0 |
0＜q＜ |
永远扩张 |
L=宇宙学常数：由爱因斯坦引入广义相对论的场方程，以对引力（反作用）提供某种约束，以避免不可避免的宇宙崩溃；如果+（排斥）L抵消引力；如果-（吸引）L增加引力。L c 是一个特定的数字，称为临界值。L可以等于与量子级粒子相关的真空能量密度。（文本中的l是由大写希腊字母给出的，不能用.html编辑器进行复制。）
Q=减速参数：表示哈勃常数随时间变化的速率。
考虑到所有这些模型：如果宇宙是开放的或扁平的，宇宙将无限膨胀，但速度不同，这取决于与每个模型相关的参数。（双曲空间是一个具有负常曲率的空间：虽然很难形象化，并且最好用数学描述，但描述性地把它比作一个马鞍，马鞍具有“下坡”和“上坡”最低点的特殊空间属性。相反，封闭和负L模型预测有限的膨胀伴随着最终的收缩，因此在某个时候宇宙会回到奇点状态。对于每个模型，从一开始（稳态模型没有“开始”）到最终命运（紧缩；膨胀）的膨胀几何和行为最终取决于表征它的物质密度。如果密度小于临界密度，则空间是双曲线的；如果密度大于临界密度，则空间是球形和闭合的；如果密度等于临界密度，则空间是平面的（至少在我们观察到的尺度上）。
前五个模型都是非标准的，并且是在爱因斯坦的宇宙学常数似乎有一些基本的有效性时设计的。这些型号都至少适合 some 对宇宙的一般观察，但在其他方面都失败了。爱因斯坦自己花了很多年来计算这些宇宙的性质，但最终放弃了反重力的概念，承认这是他科学推理中的“最大错误”。这一常数的证据仍然缺乏，但近年来，它的变化再次成为时尚，以解释一些对变化的宇宙至关重要的现象。它可能等同于真空能量密度的概念，这可能是早期宇宙膨胀阶段的一个关键因素；L（lambda力）的迅速增加可能是当时巨大膨胀背后的驱动力，但这种增长必须是短暂的，而且L必须回到零，否则宇宙早就存在了。”吹走了。
爱因斯坦的宇宙是一个静态的，具有球形几何学，由这位伟大的科学家开发，试图将广义相对论应用于宇宙学。宇宙大爆炸的想法还没有引起宇宙科学家的注意。为了保持宇宙“运行”，而不是在自身引力下崩溃，爱因斯坦发明了常数l来平衡引力。虽然现在被认为是非常不正确的，但是这个模型刺激其他人提出包含扩展的变体。德西特宇宙是一个奇怪的宇宙，是空的，从未经历过大爆炸。它的q值为负（-q）表示一个加速的宇宙。但是在回到时间零点时，它的代表性r（t）值永远不会达到零，这意味着它没有开始，也就是说，它有一个无限的过去。虽然理论上很有趣，但该模型对大多数观测参数都没有定义。霍伊尔和其他人将稳态宇宙定义为大爆炸模型的“解毒剂”。它接受膨胀，意味着宇宙没有起点或终点。为了保持宇宙所确定的物质密度分布，稳态需要一个“创造场”，在这个场中，新物质（质量）必须通过时间不断地创造，以平衡膨胀率。另一个模型（不在上表中）也不是从大爆炸开始的；这就是Eddington-Lemaiter模型，它是封闭的、有限的，最初是静态的，但随后随着星系开始由氢气凝结形成，它开始膨胀。从大爆炸概念中推导出的勒迈特模型，开始于早期宇宙中r的快速增加，但随后经历了一个较长的时期，当r（t）几乎保持不变（由于l大于l的影响）。c ）因此，扩张是最小的（“悬停”），直到很久以后以加速的速度恢复。勒迈特是第一个认为起始状态是非常高（接近无穷大）密度的状态（他称奇点为“原始原子”）；加莫应用了希腊词“ylem”。 [原始物质] 所有包含在这样一个奇点中的东西）。
在三个标准的热（高温）大爆炸模型中， 开放宇宙 模型（也称为Friedmann-Lemaitre模型）预测，在基于双曲几何的无限无限无限无限空间中（在该空间中，光可以同时跟随正曲率和负曲率），膨胀将以基本恒定的速率永远持续下去。到目前为止的证据表明 flat 宇宙模型，其密度处于临界密度（一种几何控制的物质分布，它使宇宙永远膨胀，即使它不断减速），解释了它的许多观测属性，因此 Einstein-DeSitter Universe 是目前最广泛采用的近似现实的模型。（平面可能有些虚幻：就像一个大气球的表面在它上面的某个点上对蚂蚁来说可能是平的，所以宇宙实际上可能是球形的，但在我们直接观察的区域内却表现得像是平的。）
封闭宇宙 遵循球面几何。基本模型显示了早期宇宙时间的最大膨胀（如果膨胀确实是一种真实现象的话，这与宇宙开始时不可思议但短暂的膨胀不同），此后膨胀率降低。星系之间的分离速度随着时间的推移而减小，直到在未来某个时候，膨胀停止，然后星系以越来越快的速度靠近，直到所有的物质和辐射汇聚到一个奇点（未来可能是50年），经历了被称为“大危机”的过程。这就增加了 重复宇宙 当奇点爆炸，扩展，最终收缩到下一个奇点，然后无限地重复循环，甚至无限地重复；然而，这种情况似乎违反了熵限制，因为奇点应该有一个最小而不是最大的无序状态，这是每个模型的结果。同时进化的多个宇宙可能是 混沌通货膨胀模型 近几年来，它作为“大爆炸”的通货膨胀版本的一个变种得到了人们的青睐；然而，这些宇宙之间没有相互接触的可能性，因此它们的存在可能是无法证明的。
现在的宇宙是开放的还是封闭的仍在争论中。关键因素是宇宙中的质量密度。如果这个量低于临界值，那么引力就不足以最终阻止膨胀，最终导致整个空间的所有物质被拉回到封闭状态；在开放的情况下，膨胀永远存在于（显然）唯一的宇宙中。到目前为止，宇宙内部的质量库存已经远远低于维持一个封闭宇宙所需的数量，但随着进一步的观察和实验，这个差距正在缩小。缺失的质量（和具有质量的能量粒子）可能存在于 dark （不发光的）物质和/或中微子，目前都很难检测到，因此也很难定量计算；一些估计认为占质量的不足高达90-95%。这意味着宇宙中的大部分物质目前在地球上仍无法被探测到（因此，数十亿个明亮的星系，每一个都有数十亿颗恒星，仅占宇宙总质量的一小部分）。
大量的暗物质是由观测到的结果推断出来的；间接证据来自星系和星系团的行为，它们似乎需要这种超丰富的质量来解释它们的稳定性和运动。例如，外旋臂中恒星的速度比牛顿1/r预测的要大得多。2 力定律，表示外部质量过大。另一条证据来自引力透镜效应——要解释广义相对论预测的空间弯曲程度，需要比观测到的质量大得多。这是由于来自较远光源的光的弯曲度更大（因此显示出比预期更大的位移），而不是仅由正在测试其引力影响的特定星系团的质量引起的。隐藏质量集中的另一个迹象与星系在足够近的地方的定向运动有关，可以观察和测量这个运动。在一个被称为“大吸引子”的不可见质量浓度的影响下，我们所在的星系群（包括银河系）正以高于预期的速度沿半人马座的方向在太空中移动。（银河系本身以210万公里/小时的速度向周围区域移动D狮子座）。此外，检测到大量的发光气体，它们的分子在快速移动，因此表明温度非常高；由于非常热，它们应该会飞散，但很明显是结合在一起的，这表明大量看不见的物质具有吸引力。
许多失踪的质量可能被捆绑在黑洞中；数十亿可能存在于整个宇宙中，许多星系（如果不是大多数）的中心核心有黑洞。在银河系中心已经证实了一个质量巨大、大小估计超过250万太阳直径的黑洞，内部恒星围绕这个黑洞旋转，速度高达300万公里/小时，因为它们向内旋转，最终被吸进（相比之下，太阳绕着银河系中心以约79万K的速度运行）。m/hr，地球绕太阳转约108000 km/hr）。
暗物质的组成仍然是推测性的。有些可能是machos（对于大型紧凑的晕物体），由重子（质子、中子）和其他物质组成，这些物质位于目前已知分布在星系周围和星系际空间的非辐射性暗晕中。它们主要存在于缓慢移动的冷暗物质（cdm）中。矮星系和白矮星和黑矮星的残余物——太小，无法在更遥远的空间中被探测到——可能大量存在于这种物质中。黑洞和中子星，虽然用肉眼看不到，但通过它们对附近可见恒星的引力作用来识别，也做出了重大贡献。然而，这种物质主要以热暗物质（hdm）的形式存在，可能是以快速移动的wimps（弱相互作用的大质量粒子）的形式存在——不与电磁（em）或强核力相互作用的难以捉摸的物质/能量。一种WIMP类型是中微子，中微子的存在已经被证明，但其质量——微小但真实——刚刚被证实——这一决定可以解释很多（大多数？）。“失踪”宇宙的质量。日美研究小组最近（1998年6月）的一项声明可能会极大地改变中微子在质量资产负债表中的作用。利用一个深埋探测器和一个巨大的探测器阵列，他们能够捕获中微子发出的光信号，这些中微子将这些非常小的粒子暴露出来，使其具有无穷小的微小质量，大约是电子质量的1千万分之一。但是，由于在整个宇宙中中微子的数量极其庞大（就像宇宙背景辐射一样，它们也是大爆炸的残留物，特别是在质子融合成氘和氦的最初几分钟内大量产生，以中微子的形式释放能量），因此这些粒子可能对丢失的质量有很大的贡献。其他一些理论上的WIMP可能存在，但仍有待发现（从未来的粒子加速器实验或从仍在建造的更灵敏的空间探测器）。