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20世纪60年代，美国天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）和同事们发现，位于圆盘状星系的螺旋和旋臂中的绝大部分恒星，绕星系中心旋转的速度几乎都是一样的，而与它们到星系中心的距离无关，这与我们的行星围绕太阳旋转的方式截然不同——太阳系行星的轨道速度随着与太阳距离的增加而递减，这是因为仅有太阳引力将它们固定在轨道上，而引力随距离减小（这样的轨道叫开普勒轨道，以开普勒及其行星运动定律命名）。绝大部分恒星的轨道速度一致，这表明，距离星系中心越远，其轨道内就有越大的质量提供引力，将其束缚在星系中。但是，让恒星这样旋转所需的总质量，远大于观测到的正常星系质量，这就说明可能存在暗物质，提供了所需的其他质量。
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天文学家同样注意到，如果星系质量仅由可观测到的恒星组成，星系团内不同星系的相对速度就比引力所能束缚住的速度要快得多。也就是说，星系团能保持稳定、不四下飞散的唯一原因是，存在比可观测质量多得多的质量来束缚它们。关于暗物质还有各种各样的其他证据，比如引力透镜效应，指的是当光线经过质量巨大的天体如星系团时，路径会发生弯曲。
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这种将星系和星系团固定住的看不见的暗物质，在电磁波的任何波段（从微波到红外再到紫外）都检测不到。但近年来，天文学家不得不得出结论，宇宙中的物质有相当大的一部分都是暗物质，而最早星系的组成也被认为其中的暗物质成分要多于氢和氦。由于对暗物质的存在只能间接探测，其基本组成仍然是一个谜。
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既然从大爆炸以来宇宙就一直在向外膨胀，自然就会有这样一个关于未来的问题：膨胀是会在引力的作用下慢下来，但凭着充足的初始爆炸能量仍能一直持续，还是说它总有一天会精疲力尽，在引力的作用下宇宙将向内坍缩回到中心？最近的发现表明这两种设想都大错特错，宇宙的膨胀正在加速。在这之前，引力被认为是仅有的长程力，并且在质量的吸引下会造成宇宙膨胀的减速（或可能的坍缩）。加速膨胀的结论实在出人意料，因而为另一种迄今为止尚未探测到的作用力提供了证据。这种作用力产生于一种叫作暗能量的能量场，最终提供了使宇宙膨胀得更快的推动力。（“暗物质”和“暗能量”都叫“暗”，这并不是说二者相关，只不过它们都无法用光探测到。）暗能量是一种超长程的作用力，只在跨越超星系团的尺度上发挥作用，也只有当宇宙膨胀到足够大时才变得重要。据推断，直到约40亿年前，也就是我们的太阳系都已经形成之后，暗能量才超过引力成为支配力量，并造成了宇宙的加速膨胀。这种膨胀在某种意义上就好比是，宇宙填充着一个逐渐倾斜的浴缸，当水即将溢出边缘，转向另一侧倾泻而下。
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考虑到被暗能量覆盖的宇宙体积，人们推断宇宙（物质和能量的总和）绝大部分都是暗能量，大约占到70%，而暗物质则占约25%。在剩下的5%的普通原子物质中，诞生了恒星、行星乃至你我，尽管这类物质的绝大部分仍然是氢和氦的形态。然而暗物质和暗能量仅仅在星系和星系团的尺度上才可知晓，这不是我们人类能感觉、能确实体验或是凭直觉能形成概念的尺度。重力基本是我们能时时切身感知并在起床、爬楼梯、倒咖啡等等日常中驾驭的唯一作用力。但是如果我们跟小虫子或微生物一样大小，我们的生活就将更多被电磁力支配，比如因电磁力而产生的静电效应，比如水的表面张力。我们将发现重力不再那么重要甚至几乎注意不到了，蚂蚁爬墙几乎不会被重力阻滞，从高楼上掉下也不会受重力影响。与此类似，对于感知暗物质和暗能量而言，我们降到了小虫子的尺度。
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[1] 普朗克时期有两种表达：Plank epoch，Plank era。在地质学术语中，epoch和era有不同的层级位置。地质年代时间术语，由大到小依次是宙（eon）、代（era）、纪（period）、世（epoch）、期（age）、时（chron）。比如，今天的人类生活在显生宙新生代第四纪全新世。——编者注
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[2] 弦理论：又称弦论，是理论物理学的一支，结合量子力学和广义相对论为最终的万物理论。弦理论用一段段“能量弦线”作为最基本单位，来说明宇宙里所有微观粒子如电子、质子及夸克都由这一维的“能量线”所组成。——译者注
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[3] 圈量子引力论：一种量子引力理论，与弦理论同是当今将引力量子化最成功的理论。——译者注
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[4] 按相对论，信息和能量在空间中的运动不能超光速，但是宇宙膨胀是空间本身在膨胀，因而不受光速约束。——编者注
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[5] 夸克汤：粒子物理学的“标准模型”认为，在超过1万亿摄氏度的温度下，质子和中子也会“熔化”，变成夸克和胶子组成的等离子体，这种夸克—胶子等离子体就是“夸克汤”。——译者注
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[6] 空洞：天文学里，空洞指的是纤维状结构之间的空间，二者均为宇宙组成中最大尺度的结构。一个典型的空洞直径大约为11至150个百万秒差距（1个百万秒差距等于3261600光年），其中只包含很少或完全不包含任何星系。——译者注
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万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起 第二章 恒星与元素
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当氢和氦（以及暗物质）形成的巨大星云在自身引力作用下坍缩，开始形成最早的恒星和星系时，早期宇宙的黑暗时期就结束了。类似的恒星诞生过程今天仍在发生，我们银河系中的鹰星云即其中一例，那里至今仍在批量生成新的恒星及太阳系。但就像我们前面说的，最早的气态星云只包含原子（暗物质除外），绝大部分是氢和氦的形态，尚不具备用来形成行星的物质；是第一代及随后的恒星的形成与死亡，才创造出了能建造行星和行星上生命的更重元素。
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一团前太阳星云（pre-solar cloud）一旦在自身引力作用下开始坍缩，它的分子就向中心跌落并不断提速（就像一个球从山上滚落）。加速中的分子彼此碰撞、弹开，其动能因此转变为热能，使星云的温度和压力升高，从而导致坍缩中止。（在下一章我们将详细讨论这类星云的大小、形状及演化历程。）
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实际上，星云未必会坍缩得很厉害，这取决于它的大小。如果不是很大，那它压根儿不会坍缩多少；越大的质量，引力越强，因此星云在温度过高之前就会坍缩得越彻底。
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有些进程有助于星云保持坍缩。例如，占了星云绝大部分的氢气，它的分子由两个氢原子结合而成。如果坍缩星云的中心有足够高的温度，氢分子就可以断裂为原子，而这样的分裂会吸收能量，阻止温度升高，使星云能继续坍缩。这个进程与烧开水时发生的相变很像（在描述大爆炸时我们已经打过这个比方）：炉火向水注入大量的能量使水升温直到沸腾，而沸腾时水从液态到气态的转变吸收了能量，因此温度会不再变化，直到所有的水都煮干。与此类似，从氢分子到氢原子的转变从坍缩的星云中吸收了热能，使星云的温度保持稳定，直到转变结束。稍晚一些或在星云的更深处，当温度更高到能从氢原子中剥离电子使氢原子离子化时，还会有相似的过程发生。这样的进程就好像另一种“相变”，使温度能保持稳定。
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即便如此，也只有极大的星云才能无需任何外力，仅凭自身就坍缩得足够彻底。最早一批完全由氢和氦组成的恒星质量巨大（传统上它们被叫作第三星族星[1]，而今是遍寻不见的讨厌鬼），它们来自的星云质量数千倍甚至数百万倍于我们的太阳，所以最终形成的恒星质量也是太阳的数百倍。小型星云会形成更小的恒星，它们的坍缩需要触发和推动，以便越过界限，到达能保持收缩的足够密度。例如巨星，往往在超新星爆发（详见下文）中死亡并产生冲击波，从而形成对邻近星云的一记重击，使之开始坍缩。很可能正是凭借了这样的外力，第一批小型恒星得以形成。它们存在了非常久的时间，因此也留下了关于宇宙年龄的一些主要证据。在陨石尘粒中有迹象表明我们自己的太阳系就是这样启动的，不过我们过一会儿再回过头来说它。
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一旦万事俱备，坍缩星云的温度峰值能够达到1000万摄氏度左右，那一颗恒星就将诞生了。在如此温度下，电离氢（离子化了的氢原子）的原子核（这会儿也就只是个质子而已了）移动速度飞快到能克服电斥力（质子均带正电，因此互相排斥）彼此聚合为氦，氦原子核通常有2个质子和2个中子。这一核聚变过程由于涉及质量向能量的转变，释放了巨大的能量。正如前一章所述，爱因斯坦最众所周知的方程E=mc2，描述的就是物质质量m向能量E的转变，其中c是光速，大约30万千米每秒，也就是能让你在1秒内绕地球8圈左右。c2这个数极大，因此即便将仅仅1毫克的物质（这差不多是非常小的一粒药的质量）转变为能量，都够烧开4万升左右的水了。或者换个说法，转换60毫克的物质（就是非常小的一小瓶小药片）就能把一个奥运标准泳池的水都给汽化掉。人们在20世纪二三十年代发现了核聚变过程，随后便应用于发展恒星核合成理论（其中最杰出的工作是由物理学家汉斯·贝特［Hans Bethe］和天体物理学家弗雷德·霍伊尔做出的，不过天文学家亚瑟·爱丁顿［Arthur Eddington］很早以前就曾预言了这个理论），也就是上文描述的内容。
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在坍缩中的前太阳星云里之所以会发生物质到能量的第一次转换，是因为4个氢原子的质量略大于1个氦原子的质量，而很多这些多出来的质量都转换成了能量。大量产生的热量阻止了星云进一步坍缩，使它的温度峰值保持在略高于1000万摄氏度的水平（太阳的中心温度为1500万摄氏度左右）。这样陷入停滞状态的星云实际上就是恒星，就像我们今天的太阳一样——一个压缩的气态星云，因核聚变产生的热能而停止了坍缩。
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恒星内部并不是到处都会发生聚变反应，只有在最深最热的核心区域才会有，其他区域的温度都低得不足以驱动聚变。而核心产生的热量通过对流浮向表面，使太阳外观呈现出颗粒状，这个就叫米粒组织；当热量以辐射或者光子的形式离开太阳表面，最终以可见光的形式抵达地球，就是太阳能了。更重的粒子比如零散的电子和质子也会被太阳吹走，随太阳风向外扩散，最终抵达地球和其他行星。
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