目前宇宙中热门的研究对象有哪些？

囝囝刚

1929年，哈勃测量河外星系距离，发现了宇宙膨胀，从而揭开了宇宙学研究的序幕。此后的90年里，人类对于宇宙的理解有了革命性的进展。大爆炸宇宙学理论从一个大胆的假说渐渐变成了坚实的理论。而通过地面和空间的天文望远镜，天文学家对宇宙演化和星系形成的观测也达到了前所未有的精度。但一些关于宇宙的根本性问题，仍然没有得到彻底的解决，令全世界成百上千的天文学和物理学研究者为之着迷。

一.大爆炸是怎么回事？
在1929年，哈勃通过测量河外星系的距离和速度，发现银河系外的星系，大多都远离银河系而去。距离我们越远的星系，远离银河系的速度也就越快。这说明宇宙正处在膨胀的过程中。如果我们把宇宙想象成一块面包，而星系是面包中的葡萄干。那么当面包膨胀的时候，葡萄干也会远离彼此，而两个葡萄干开始时距离越远，膨胀过程中相互分离的速度也就越快。而宇宙也是如此，当宇宙空间膨胀，星系就会随着空间膨胀而远离彼此。
如果我们逆转这个过程，沿着时间向过去回溯。我们就会发现星系会向彼此靠拢。时间越早，宇宙中的物质就会越密集，而宇宙中的温度也会越高。如果我们一直向前逆推，宇宙中的温度会变得极端的高，物质也会极端的密集，不仅仅是星系，恒星，行星，甚至连构成这些天体的分子，原子，甚至质子中子都无法存在。最后，连今天宇宙中的物理定律也会失效。那个时刻，就是宇宙诞生的时刻。也是大爆炸宇宙学的时间起点。
在宇宙大爆炸的早期，在极其短的时间内，宇宙体积增加了10的26次方倍。但究竟是什么物理机制推动了这种极端迅速的膨胀，人们却还不清楚。今天，天文观测上探索这一时期的唯一的手段，是通过引力波观测。宇宙的急速膨胀会产生时空的涟漪，也就是引力波，它会在宇宙微波背景辐射（CMB）上留下的痕迹。但到目前为止，研究者还没有观察到确切的信号。在未来，会有更多的观测设备致力于此。

图一.Bicep2 研究组在2014年宣称自己找到了宇宙极早期引力波留下的痕迹.但后来证明，他们看到的信号可能被尘埃辐射污染，不能成为坚实的证据。但是后续的观测和下一代仪器正在热火朝天进行中。

二. 宇宙的黑暗时代是如何结束的？
宇宙的早期是一个高热高密度的地方。宇宙的各处都充满了光明。 光子在充满宇宙的自由电子间游走。但是随着宇宙膨胀，温度渐渐冷了下来。原子俘获了活力下降的电子。而光好像指缝间的水一样一下子流走。从宇宙早期光子和电子最后一次散射，到第一代恒星形成之间，宇宙经历了漫长的黑暗时代。宇宙脱离黑暗的这个过程被称作再电离过程。
第一代的恒星是什么时候形成的？它们有多大？它们是否能够产生足够的光，使得宇宙脱离黑暗时代？美国的下一代空间望远镜JWST很可能直接观测到宇宙中的第一代恒星，为我们揭示这些问题的答案。

图2. 观测中已经证明再电离在宇宙诞生后10亿年完成。但是再电离过程的细节还没有完全解开， 参考科学网—宇宙再电离

3. 星系为什么是现在看到的样子？
早期的宇宙中，只存在最简单的元素，氢和氦。这些物质也是形成恒星的原料。在宇宙早期，宇宙中物质分布非常的均匀。但由于相互之间的引力作用，宇宙中氢和氦组成的气体云会慢慢凝聚，坍缩，在气体云的中心，温度和密度都会在这个过程中升高。当气体云中心的温度超过核聚变反应的临界温度后，气体云中心就会诞生恒星。
而星系是恒星的集合体。今天的银河系中有上千亿颗恒星，这些恒星并不是一次形成的，也不完全是在今天的银河系中形成的。宇宙早期可能只存在一小较小的星系，这些星系通过相互合并成长为较大的星系。星系形成是宇宙演化过程中重要的一环，但仍然有很多细节我们没有搞清楚。例如：
为什么银河系观测到的卫星星系比理论预期少？
为什么星系群中的卫星星系比理论预期的更红？
黑洞吸积过程产生的能量反馈是如何影响星系中的恒星形成的？
......

图三.星系形成理论认为今天的星系都是由宇宙早期的小星系慢慢吸积物质，或者并合形成的。并合方式和并和历史的不同，产生了不同的星系形态（椭圆星系或者旋臂星系）

4.暗物质本质究竟是什么？
引力透镜观测和星系旋转曲线观测都告诉我们宇宙中存在大量的暗物质。结合宇宙微波背景辐射和星系巡天观测，我们知道暗物质占宇宙质能组分的23%，占宇宙物质组分>80%. 但是暗物质的本质是什么？是一种什么粒子？
有的理论认为暗物质可能和原子核有极其微弱的概率相撞。所以科学家建造了暗物质探测器来探测暗物质。如果探测器建在地面，探测器会严重受到宇宙线中高能粒子的影响。所以科学家们才把探测器深埋在地下，挡住了高能宇宙线的千军万马。这样就大大提高了暗物质探测的灵敏度。最先进的暗物质探测器采用液态惰性元素作为探测核心。如果暗物质粒子和惰性元素发生碰撞，就会使后者高速反冲，发出辉光。可是，这种碰撞的预期几率非常的低。研究者至今还没有找到暗物质的踪迹。
有趣的是，从宇宙演化的角度看，如果构成宇宙的暗物质粒子有所不同，宇宙中结构的具体形态会有非常大的差异。

图4. 计算机数值模拟结果。Lovell et al. 2013 上图是冷暗物质宇宙中的暗物质晕，下图是温暗物质宇宙中的暗物质晕. 冷暗物质宇宙中有更多小团块。可参考拙作丢失的星系 - 天淡银河垂地 - 知乎专栏

5. 暗能量是什么？
1999年，两个独立的研究组通过测量超新星的距离发现宇宙其实在加速膨胀。而宇宙加速膨胀的神秘推手就是暗能量。暗能量占宇宙质能组分70%强。在经典的宇宙学理论中，暗能量的能量密度在宇宙的任意一点完全相同，它提供一种排斥性的引力。
可是，暗能量是什么？是真空的能量还是爱因斯坦引力方程中的一个常数？暗物质能量密度是否随时间演化？甚至，暗能量是否真的存在，还是说我们需要修改引力理论？从天文观测上，我们需要结合弱引力透镜效应，微波背景辐射，超新星观测，重子声速震荡观测等等一起来解答这个问题。

图5.Ia型超新星是宇宙中的标准烛光，可以用来测量宇宙空间的膨胀速率，从而推导宇宙中的暗能量成分。超新星和暗能量可参考拙作 超新星—测量宇宙的烛光