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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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宇宙学家最初意识到宇宙中除了眼睛能看见的物质之外还有其他物质，甚至是加上黑暗的重子物质之外仍无法解释宇宙中所有物质的总量时，他们自然而然想到的第一个假设，是宇宙中肯定还存在非重子形式的物质，以某种奇怪的粒子或粒子团的形式，飘荡在可视的恒星和星系之间。随着此后对宇宙的观测不断深入，这一假定渐渐确立，强烈表明宇宙中确实存在一种奇怪的暗物质。但是，这些观测同样表明，即便把这些重子和奇怪的粒子的最大值加在一起，仍无法使宇宙呈扁平状，因此宇宙中肯定还存在第三种东西，那就是暗能量。我们已经说过，把宇宙中包括重子和其他奇怪的粒子的所有物质都加起来，也仅仅达到了使宇宙保持扁平所需物质的百分之三十。尽管如此，奇怪的暗物质仍然对宇宙得以构成起到了重要的作用（其作用比重子所起的作用强6～7倍），因此，我们要首先讨论一下暗物质，然后再去讨论暗能量。
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在这些暗物质的总质量中，除了中微子占去了微不足道的一小部分，其余的肯定都是低温物质，也就是说它们的运动速度比光速低很多。研究者一般按照其属性将其称作“低温暗物质”（cold dark matter，缩写为CDM）。不过有些天文学家特别喜欢新造首字母缩写词，这些人将其称作WlMP，意思是“弱相互作用有质量粒子”（WeaklylnteractingMassiveParticles）。39这两个术语指的是同一种东西。不过虽然我们希望CDM能够简单一点，由同一种物质构成就好了，可实际的观测结果告诉我们，没有任何证据表明我们的愿望能够实现。我们现在所能了解的一切告诉我们，有可能存在多种不同的弱相互作用有质量粒子，只要它们的质量总和加起来能达到宇宙呈扁平状所需的16%。事实上，物理学家目前能够想到的，只有两种有可能是其所说的CDM粒子。这可能是由于他们的想象力太不够，不过这也避免了让CDM粒子的局面变得过于复杂。CDM可能由这两种粒子中的任意一种，或是两者混合构成，只要其总质量能达到关键的临界比例：26%。大家已经发现，现在我们已经进入了我们以为自己所了解的领域，而不再是我们所了解的领域，而且，随着我们开始讨论暗能量，情况会变得更加捉摸不定。
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冷暗物质的第一种可能是所谓的轴子（axion）。这个名字很恰当，因为这种粒子的存在（假如它确实存在的话）与粒子的自旋这一属性有关。我们可以将其想象成小球绕自身的轴旋转，不过这种想象和量子世界的所有其他类比一样，只能说明部分问题，而非全部实情。凑巧的是，美国有一种洗衣粉的商标也是Axion，提出Axion的物理学家正是从这种洗衣粉获得了灵感，想出了这么一个名字。可见，在给新发现的物质起名字的时候，像孩子一样兴奋莫名的，并不只是天文学家。
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物理学家最初是在20世纪70年代末发现有必要引入Axion的概念，当时他们正竭尽全力试图搞清楚“量子色动力学”（QCD）的含义。该学说指出，某种粒子衰变违背了时间对称性的原则——换言之，该粒子衰变只能在单一时间方向上有效。这引起了物理学家的警觉，因为理论物理学最重要的基石之一，就是认为这样的相互作用从时间上将不论是“前进”还是“后退”都是一样的，就像是看一个球体滚动的录像，不论是正着放还是反着放，我们看不出区别。为了使该相互作用重新具有时间对称性，40理论学家必须建立新的场论；正如量子世界里的所有场一样，这种场也必须和一种粒子建立联系——这里的粒子就是“轴子”。
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这一模型的早期版本提出，轴子的质量相对而言较大，而且用不了几年，就能在加速器实验中测出来。可失败随之接踵而来。刚开始，人们想尽了各种办法，却无论如何也找不到轴子。到了20世纪80年代，QCD学说又引入了“大统一理论”（the Grand Unified Theories，缩写为GUTs），新的理论模型要求轴子的质量应该比预想的小得多，这又使得它变得越发的轻而难以直接测量到。有人将其戏称作“看不见的”轴子，许多物理学家则把它当作笑谈。为了解释一点点对称性破缺而发明这么一种轻得测都测不到的粒子，有什么意义吗？况且，无论如何，对称性破缺都是实际存在的。但是，当宇宙学家意识到需要存在暗物质时，轴子恰好是一种现成的粒子，填补了这一空缺。而且，后来人们发现，应用弦理论可以自然推导出存在有轴子。
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弦理论的各个不同版本都预言，轴子还有另外一个关键属性，那就是，除了其质量极其微小之外，由于它是粒子相互作用而产生的，这些相互作用决定了它的速度比光速低许多。如果这些想法都正确无误，那么大爆炸中会产生大量的轴子，其产生时间大约与夸克被压缩形成质子和中子处于同一时期，但是轴子确实会成为低温暗物质粒子。因此，在早期宇宙中，轴子并不像中微子那样传遍整个空间并将早期结构抹平，而是会在其自身引力的作用下汇集成团，造成凹陷，使得重子物质陷落进去。这两种粒子可能是共同构成了所有的低温暗物质。
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人们发现，测量单个轴子质量的最好办法，是通过天体物理学进行，而非粒子物理学。因为轴子只与重子发生微弱的相互作用，像中微子一样，它们可以轻而易举地穿越恒星的中心进入外部空间，不受任何阻碍。轴子脱离可以将能量带走，使恒星内核冷却。轴子越重，这种冷却过程就越有效（中微子的效用可以忽略不计）。如果每个轴子的质量超过0.01电子伏特（0.01eV），就会影响到恒星的外观以及某些古老恒星的爆发方式，使其像超新星那样产生可以被我们观测到的爆发。由于这些效应尚未从恒星中实际观测到，因此轴子的质量必然小于0.01电子伏特，或是电子质量的百万分之0.002。理论模型则指出，其质量可能还要小，小于0.0001电子伏特。因此，直到现在，在地球上的加速器实验中都没有找到轴子这一现实其实一点都不令人奇怪！
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