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当时，多个研究人员正在研究圆盘星系（比如银河系等）是如何旋转的。这种星系的名称很形象，它是扁平的恒星系统，像一个中央隆起的旋转光碟，隆起和扁平部的比例与煎蛋中蛋白和蛋黄的比例大致相同，但其直径通常为10万光年，含有数千亿颗恒星。整个系统像轮转烟花一样悠闲地旋转，像太阳这样的恒星需要几亿年的时间（距离银河系的中心相当于星系半径的三分之二）完成围绕中心的旋转。当我们看到这样的旋转星系，利用多普勒效应可以衡量其旋转速度。星系盘一侧的光是朝向我们运行，因此这些光会显示蓝移，而另一侧的光是远离我们，所以会显示出红移。红移和蓝移的大小就揭示了光盘旋转的速度。到了20世纪70年代，技术已经发展得相当完善，在许多情况下，对于距离中心不同的星系的不同地区，其速度都能测量出来了。结果却令人大吃一惊。
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如果圆盘星系中所有的物质都以像明亮的恒星同样的方式分布，那么越是远离中心的恒星运动的速度就越缓慢，因为它们远离中央隆起（或称为星系核）的巨大质量。同样，在我们的太阳系中，外围行星，如木星和土星等，在其轨道上运行的速度比内行星（如金星和地球）更慢，因为它们远离太阳的巨大质量。但是，在对几乎每一个圆盘星系的研究都表明，除了星系最靠核心处，星系的轨道速度不论是边缘还是靠近中心的地方都是一样的，并且边缘和内部之间的任何一点上也是一样的。对此惟一说得通的解释是，圆盘星系是嵌在大量的暗物质中，而暗物质的质量至少是星系的10倍，暗物质将星系盘紧紧控制在自己的引力范围内。这直接表明了单个星系中存在暗物质，而茨维基的开创性研究则表明，在星系之间的空隙中还必须有更多的暗物质。
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在21世纪最初几年中，天文学家发现了更多的直接证据，表明在星系之间存在暗物质云团。请记住，大爆炸所产生的重子中，只有大约五分之一的是以明亮的恒星和星系的形式存在，可以被我们看到。其余的必须存在于某个地方，比如在恒星和星系之间的气体云中，或是在微弱的恒星中。很长一段时间以来，没有人知道它们究竟存在于何处，但人们自然地猜测，由于这些重子暗物质是冷的，因而才不能为人所见。结果，这种猜测却是完全错误的。它之所以无形，是因为它是热的！
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卫星观测发现，“暗”重子位于紫外线光谱段，这一区域是我们的眼睛无法看到的。卫星也观测到，我们的银河系和附近的星系（一种小型的星系团，称为“本星系群”）实际上是处在一个巨大的星际气体热雾中，这些气体是我们熟悉的氢和氦。以地面标准而言，虽然它非常微弱，但这种气体非常热，也就是说，里面的粒子的移动速度非常快，并发出波长很短的辐射，超出了可见光谱蓝色端，处在紫外线频段。如果我们的眼睛可以看到紫外线，我们会看到整个天空都覆盖着一团明亮的雾，其温度约为1千万K到2千万K（1～2千电子伏）。在本星系群中，这样的热物质的质量相当于1万亿颗太阳，大约是星系中明亮物质的质量的4倍多，这与我们所理解的宇宙大爆炸的核合成吻合得非常好。但是，这仍为冷暗物质留下了足够的余地。就像星系旋转的速度表明星系团是由暗物质聚集在一起的证据一样，这也表明这种热气体云只能是由暗物质聚拢在一起。这种热气体是嵌在寒冷的暗物质中，并为我们提供了一个暗物质的示踪剂，就像夜晚圣诞树上的彩灯能够显示出树的轮廓一样。
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在其他星系团中的星系的周围，也发现了类似的热气云。这一证据表明，这些气体之所以能保持热能，是受到来自某些星系活跃的内核所抛出的高能量物质的轰击，在观测中发现这些是强大的射电源，而且可能伴随着巨大的黑洞。气体的热量也可能来自早期宇宙发生重组不久之后，气体云碰撞所发出的最初的热冲击波。
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不论其热量来自何处，对整个可见的宇宙结构形成的计算机模拟最终显示出，我们需要冷暗物质的存在，不过此时这一结果已经不再是真正的惊喜了。但是仍然有一个重大的难题需要解决。
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我们对原始核合成的了解告诉我们，宇宙保持扁平性所需的质量的百分之四左右是以重子的形式存在的（其中有不到百分之零点五的是以中微子的形式存在），还通过观测知道这些物质中约五分之一的（低于扁平性所需物质的百分之一）是以亮物质的形式存在。比较今天的宇宙中明亮物质的分布模式，以及计算机模拟的结果，我们发现，宇宙中物质的总和，是扁平性所需质量的大约百分之三十——换句话说，有约百分之二点六的扁平性质量，相当于重子形式物质质量的6至7倍之多，是以冷暗物质的形式存在。多一分，则亮物质构成的模式会更稠密；少一分，则会更稀疏。但是，综合计算机模拟和对宇宙微波背景辐射的研究，我们知道宇宙是扁平的。理解这一点的方法之一，是要了解宇宙膨胀的速度也影响到它现今的高矮胖瘦。如果宇宙是开放的，它的膨胀速度将扩大，物质将更快地被延伸得更薄，自宇宙大爆炸以来，就不会有我们所看到的巨大的结构出现；另一方面，如果宇宙是闭合的，其膨胀得会更加缓慢，物质会更容易地聚集在一起，那样的话，宇宙也会比我们真正看到的要更不平坦。34这就是我们面临的难题——如果只有百分之三十的扁平状所需的质量是以物质的形式存在，那么究竟是什么使宇宙保持扁平的？这一难题的答案将在下一章揭开。但首先，以下是我们对于宇宙自重组之后，不断膨胀，其结构演变的概括描述。
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我们知道，必须待重组后，重子物质的浓度才能开始增长，否则，带电粒子和背景辐射发出的依然炽热的光子之间的相互作用，仍然会阻止崩溃的发生。但我们也知道，那时暗物质必须已经集中产生团块了，这是由于重子物质被锁定在电中性原子中，落入引力坑洞的速度所决定的。的确，21世纪初给我们的一个惊喜是，随着技术的改进，观测者能够回溯看到更久远的过去，看到更高的红移，在每个阶段，他们不断发现由热氢气体构成的原星系。我们将看到，对此最好的解释，是黑洞在宇宙的很早时期就形成了，并且是星系成长的种子。一些计算表明，原始黑洞的种子形成于宇宙原始的核合成阶段的密度波动。这仍然只是一个假说——这正是我们认为自己知道的一个例子——但它是目前任何人所能想出的最好的解释。
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2004年的哈勃超深空探测结果分析表明，在红移为6时，宇宙大爆炸9亿年后，宇宙中有许多微小暗弱的物体，人们称之为“矮星系”。正是源自这些星系的紫外线完成了再电离过程。然而，红移稍高一些，宇宙大爆炸大约7亿年后，这些矮星系明显减少，这表明我们看到了这些小星系形成时代的顶峰。这些矮星系当然没有过很长时间，就彼此合并形成了较大的星系。在2004年的另一项研究报告中，天文学家分析了宇宙年龄大约在30到60年之间的来自星系的光线（在110到80亿年以前）。这些光线从地面的望远镜就能看到。调查发现，所研究的这些星系的突出特点是它们均为“成熟”的系统，外形酷似今天我们在宇宙附近所见的星系。它们已经经历了其主要的早期阶段，如合并及恒星的形成等，并稳定下来，进入了相对平静的状态。即使是星系团，在这个意义上说肯定是一个成熟的系统，在距离我们90亿光年的地方，即宇宙大爆炸之后50亿年之后，也已被发现。举一个例子就能说明现在的技术多么的惊人：该星系团首次被发现，是在由欧洲的XMM牛顿卫星获得的X射线图像中，人们在望远镜对一小片天空经过12.5小时曝光所拍摄的照片中，发现并判断出了它收集到的280个光子代表的是这一星系团。人们接着把地面光学望远镜对准这一区域，发现了12个大型的星系位于可能是由数以百计的小星系构成的集团的核心（这个核心太弱，无法从地球上观测到），它们是由引力结合在一起的。这一发现是在2005年春季宣布的，大家读到此书的时候，上述的技术肯定已经帮助我们找到了更多的处于这样距离的星系团。
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包括像我们的银河系这样的圆盘星系在内，35当今的宇宙包含了许多椭圆星系（其形状各种各样，从球形到美式橄榄球的椭圆形，不一而足，大小也不一），此外还有一些剩下的不规则的矮星系。观测表明，当宇宙只相当于现今年龄的三分之一的时候，所有这些种类的星系已经出现了，而且那时这些星系已经聚集成了有明确界限的集群。所有这一切都证明，从重组阶段开始，暗物质大规模的集中就已经成了星系形成的种子——但是令人沮丧的是，我们极少有直接的红移大于7的观测证据。
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计划中的哈勃空间望远镜的继任者，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JamesWebb SPaceTelescoPe，缩写JWST）36应该能够回溯看得更远，达到红移20；但是在詹姆斯·韦伯太空望远镜发射之前（将不会早于2011年），天文学家必须依靠偶然的星系沿着视线对齐在一起的机会，得以一瞥在接近宇宙大爆炸的时刻，红移非常高的时空发生了什么。37
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在这种情况下，干预星系（或整个星系团）的引力，就像一个巨大的放大镜那样，可以使来自更远的对象的光线弯曲，使其聚焦。这种引力透镜是一种天然的望远镜，其功能更强大，远远超过任何人造的望远镜；但是观测所需的偶然对齐非常罕见，而且通常产生远处物体某种扭曲的图像，但即使是只有少数扭曲的图像，也总比没有任何图像好得多。
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现在已知的最遥远的星系（在我写作此书之时，即2005年夏）就是用这种方式发现的。哈勃空间望远镜对附近的一个称为阿贝尔2218星系团长时间曝光拍摄的照片显示了一个更遥远的星系叠加到该星系团上的扭曲的形象。分析该对象的光线我们发现，它的红移接近7，相当130亿年的回溯时间，我们看到的它的光，是宇宙只有目前年龄的百分之五或百分之六的时候留下的。很难估计这个原星系的大小，因为它的形象是扭曲的，但它看上去似乎只有约2000光年直径，但它频谱的紫外线部分相对较为明亮。这暗示在年轻星系中恒星的形成活动很活跃，因为年轻的恒星通常很炽热，并且能产生大量的蓝色光和紫外线。这与对再电离时间的估计吻合得很好，因为人们认为再电离是从年轻星系发出的紫外线辐射造成的。而这反过来又表明，这个不起眼的对象确实可能是宇宙中最早形成的第一批星系中的一个。在另一项研究中，同样是利用了自然引力透镜，天文学家们找到了一个更小的物体，那是一群恒星组成的星团，而非星系组成的星系团，它距离我们也超过了130亿光年。这种星团是恒星在引力作用下聚集在一起形成的球状集团，其中包括大约100万颗恒星，而且是像银河系这样的星系的常见构成部分。所有这一切有力的证据都表明，现今宇宙中的大型星系，是在积累和合并规模较小且形成更早的单位后形成的——这是宇宙的“由下而上”的建筑方法，此过程今天仍在继续。
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这些组合成分中尚有一个需要添加的成分，即充满能量的类星体。人们认为类星体是由超大质量黑洞提供能量，其质量相当于数以百万计的像太阳一样的恒星，虽然其中很多的物质可能原来一直是暗物质。之所以称其为“类星体”，这是因为在短时间曝光的天空照片上，类星体看起来像恒星，但它们实际上却不是。长时间曝光拍摄的图像表明，类星体是位于一些星系中心非常明亮的物体，其亮度极高，很难看到同属于星系的周围的恒星，就好像把蜡烛和耀眼的探照灯摆在一起时，很难看到蜡烛的光一样。类星体之所以能如此明亮，人们认为是由于它们在吞下星系内部区域的恒星时释放出了大量的能量。而且，人们还认为，所有的大型星系（包括我们自己所处的银河系）的中心都有一个黑洞，尽管在许多情况下，这个黑洞不再是活跃的，因为它已经将附近的一切物质吞噬殆尽。
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迄今为止，关于黑洞流行的观点是，它是坍塌的恒星，其质量超不过太阳的数倍。现在我们有必要仔细关注一下黑洞这种恶魔的更详细的特性。黑洞是大量物质聚集在一起，其引力极为强大，任何物质，甚至是光，都无法摆脱它的束缚。诚然，制造黑洞的一个途径是把数个太阳质量的东西（任何东西）挤到一起，压缩到直径几个千米以内。一些恒星在生命终结时就会出现这种情况，而且现在已经发现，在我们的银河系存在许多此类黑洞——称作“恒星质量”黑洞（“stellar-mass”black holes），这名字起得很符合逻辑。但是，制造一个非常庞大的物体，即使其整体密度相当低，也能形成黑洞。几百万颗像太阳一样的恒星集中到一个半径和太阳系（以从太阳到海王星轨道计算）差不多的范围内（就像一口袋弹珠一样），其密度仅仅和地球上的海洋一样，但它仍能成为一个黑洞。没有什么物质能够逃脱它的控制。这是一种超大质量黑洞（suPermassiveblack hole），规模只有太阳系那么大，位于星系的中心，并为类星体提供能量。
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这种黑洞拥有强大的引力，将物质吸引到自身。但是对于受到引力影响的大量物质来说，很难进入黑洞，因为黑洞的表面积太小了。因此，受到吸引的物质堆积在黑洞周围，形成一个旋转的圆盘，逐渐汇集进入黑洞。圆盘中的材料运行速度很快，因为是在强烈的引力的影响下。它们形成漩涡，随着原子相互碰撞，变得越来越热。这会把引力能量转换成热、光、无线电和X射线，所有这一切都使类星体变得明亮，直到其来源物质消耗殆尽。这个过程的能量转换效率很高，即将落入黑洞的物质中，有一半以上的质量按照爱因斯坦的著名方程转换成辐射能，每年黑洞只需吞下约1个太阳质量的材料就能保持其光辉。但是最终，它的燃料供应将耗尽，并且现如今，在我们附近的宇宙中，很少有类星体仍然处于活跃状态。
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这种黑洞肯定是宇宙早期历史上的结构产生的重要的种子，而且这种结构演变迅速，表明在重组之后最早的一刻，黑洞就已经存在，而且可能是通过我们尚未完全了解的过程产生的，这涉及了暗物质的作用，因为那时宇宙还没有冷却到足以让重子物质坍缩形成恒星和星系。观测类星体发现其红移达到了6.5，表明目前宇宙中所存在的最大的黑洞（或许包含10亿个太阳的质量）在宇宙大爆炸发生10亿年后已经存在了，当时宇宙的年龄还不到现在年龄的十分之一。但是，对于星系和类星体，我们目前也只能看这么远了。现在是时候讨论一下，在大爆炸之后，宇宙的结构是如何产生的了。虽然我们必须承认，这里面还有很多猜想的成分。
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直到大爆炸发生后两千万年，红移为100，宇宙仍然非常平滑，但是从那以后，其内在结构开始迅速成长。冷暗物质最有可能的候选粒子（下一章会有更详细的讨论）是一种质量大约是质子质量100倍的粒子。38它们只能通过重力与重子相互作用，或是碰巧撞上一个重子，会对其产生敲击。在红移为100的时空，重子还太热，无法坍缩形成致密的天体。但是计算机模拟表明，冷暗物质粒子会很快在引力作用下发生崩溃，从出现在背景辐射的涟漪出发，直到红移为25至50时，它们已经形成球状的暗物质云，质量相当于地球，但体积相当于太阳系，每个暗物质云的大多数质量都集中在中心。然后，这些云会由于彼此间的引力集中在一起，抵制宇宙的膨胀，形成云团，以及云团的云团，循环往复，其中大多数质量都集中在中心。
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到了这时候，重子已经冷却到足以发生坍缩，暗物质坑洞也发育完全了——在这些大型的暗物质云的中心形成了黑洞——这样重子物质就流向暗物质集中的地区，形成恒星和星系。这种情形很好地解释了质量是太阳的几百万倍（如球形恒星团）到几十亿倍（如银河系这样的星系）的物体，以及比星系的规模仍要大数以万倍的结构（超星系团）为何能存在。计算还表明，大量的原始地球质量的暗物质云应该能够生存至今，在银河系周围的暗物质球形环中，有多达1000万亿（1015）这样的暗物质云。在这些云中，暗物质粒子之间的相互作用会产生大量的伽玛射线，在地球上很难探测到它们，因为它们太微弱了。但是在大约2012年之前，下一代的卫星或许将能够探测到它们。计算表明，即使在红移为6.5的时空，大爆炸之后几乎10亿多年，在重组之后，应该有足够的时间使这一自下而上的进程发生，产生了质量相当于10亿颗太阳的黑洞，它们嵌在质量约为1万亿个太阳质量的暗物质环中。重子物质不断跌入黑洞，为类星体提供能源，而在远离这些物体的地方，在重子云中会形成恒星。但是在宇宙现有时间内，如果中央黑洞的质量相当于至少100万个太阳质量，则只能形成像银河系这样规模的结构。让宇宙理论学家欣慰的是，银河系中心的黑洞的质量是太阳质量的大约300万倍。
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我们现在在宇宙中看到的各种各样的星系，主要是由于合并形成的。在许多星系团中都会发生星系碰撞和相互作用，无需讨论其细节，就能很容易看出来，大型的物质云团会自然地稳定下来，随着自身的旋转，形成盘状的结构，就像我们的银河系一样。如果星系之间靠得太近，更大的星系会吞噬小的星系。但是星系盘的碰撞，也许包括其中心黑洞的合并，可以导致恒星的形成，吸收掉圆盘中的物质，形成椭圆星系。以这种方式形成的椭圆星系，在事件平息后，随着越来越多的重子物质围绕在中央隆起周围，可能“生长”出新的星盘。小的不规则星系只是早期宇宙遗留下来的——正如大家所预计的那样，观测表明，宇宙年轻的时候比现在拥有更多的小星系。它们逐渐被吞没兼并，形成了我们今天看到的大型星系。
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宇宙中最大的星系都是椭圆星系，其中一些真的是非常之大。所有的星系中，大约百分之六十的都是椭圆星系，但是其中最大的包含多达1万亿（1012）个太阳的质量，因此椭圆星系所含有的重子的比例比我们想像得更高。实际上，整个宇宙中恒星总质量的四分之三是以这种形式存在于这些巨型椭圆星系中的，其红移为1.5或更多。但是，从其恒星的颜色可以判断，很显然，它们那时已经是古老的恒星了，而且其中的一些形成于红移为4或5的时空，或者，至少是合并形成这些星系的部分物质是在红移为4或5的时候形成的。
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我们的银河系的年龄似乎是100亿岁多一点；但是太阳和太阳系的年龄还不到银河系的一半，大约是45亿年。显然，恒星形成持续到第一个星系形成之后很久。的确，直到如今，我们仍可以看到在银河系有新的恒星形成。这一现象的存在为我们提供了一种便利，帮助我们理解恒星是如何而来的。特别是，它可以帮助我们了解我们生活在其中的太阳系是如何开始的。但是，在我们离开宇宙这个大话题，开始重点关注这个特别能引起我们的兴趣的主题之前，还有一件事情必须解决。正如我们所说的那样，把观测结果、计算机模拟和理论综合起来，我们就知道，宇宙中所有物质的总和，只是使宇宙保持扁平所需的物质的百分之三十。但是，同样的综合思考告诉我们，宇宙的确是扁平的！如果它是开放型的，那么它会迅速解体，无法形成像银河系这样的星系，我们也就不会在这里思考万物是如何发端的了。那么，剩下的百分之七十的物质是怎么回事？什么使宇宙结合在一起？
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宇宙传记 第六章 什么使宇宙结合在一起？
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