關于空間天文學有一個特別的說法。叫做兩暗一黑三起源。其中，「兩暗」是指暗物質和暗能量，它們占據了宇宙物質的95%以上，但是很難被直接觀測到，只能通過間接的實驗方法來探測。「一黑」是指黑洞，它是一種極端的天體，具有強大的引力場，可以吞噬光和物質。「三起源」是指宇宙起源、天體起源和宇宙生命起源，這些問題關乎到人類對自身和世界的認識和探索。本期內容我們來說一說一黑。暗能量和暗物質是兩種不同的物質形式，它們對宇宙的膨脹有著相反的作用。暗物質是一種不可見的質量，它通過引力將星系和星系團等結構保持在一起，從而減緩宇宙的膨脹。暗能量是一種能量，它表現為一種排斥力，使得空間本身不斷擴張，從而加速宇宙的膨脹。暗能量的作用大于暗物質，占宇宙總質能的68%，暗物質占27%，剩下的5%則是我們日常接觸的普通物質。它們都對宇宙的結構和運動有著重要的影響。它們都是目前科學無法直接觀測和解釋的物質形式，由于它們 都不參與電磁作用，所以我們無法用我們的五感來感知它們。但是我們可以通過一些間接的方法來探測它們的存在和影響。

暗物質是什麼？這是一個困擾著人類數十年的難題。 暗物質是一種看不見的物質，不是因為沒有光照亮它們，而是因為光根本無法照亮它們 。那麼我們怎麼知道它存在呢？答案就是通過引力。暗物質雖然看不見摸不著，但好在參與引力。最早發現暗物質跡象存在的人是荷蘭天文學家奧爾特。1932年，他通過研究發現銀河系中靠近太陽的恒星，它們的速度分布符合開普勒定律，即距離銀河系中心越遠的恒星，旋轉速度越慢。然后，他觀測了銀河系邊緣的恒星，發現它們的速度分布與開普勒定律不符，即距離銀河系中心越遠的恒星，旋轉速度并不變慢，而是保持一個大致相同的值。這意味著銀河系邊緣的恒星受到了更強的引力作用，而這個引力作用不能完全由可見物質提供。因此，奧爾特推斷銀河系里面存在著一種看不見的物質，它提供了額外的引力作用，使得銀河系邊緣的恒星能夠保持高速旋轉。這種看不見的物質就是我們現在稱為暗物質的東西。

目前，關于 暗物質存在的證據主要通過以下幾種方法。

首先是引力透鏡效應：這是最有力的證明暗物質存在的方法。引力透鏡效應是指一個大質量天體在我們和一個更遠天體之間時，會彎曲空間和光線，使得我們看到更遠天體的形狀和位置發生變化。根據引力透鏡效應，我們可以推算出前方天體的質量分布。然而，觀測結果顯示，前方天體的實際質量要遠大于其可見光度所反映的質量。這說明前方天體內部有一種不發光也不反射光的物質，對光線產生了強烈的彎曲作用。這種物質就是暗物質。其次是宇宙微波背景輻射各向異性譜：這是最直接反映宇宙早期結構和演化的方法。

宇宙微波輻射是指宇宙大爆炸后留下來的最古老的電磁輻射，它幾乎充滿了整個宇宙空間，并且具有很高的均勻性。然而，如果仔細觀察宇宙微波在不同方向上的溫度分布，會發現有一些微小的波動，這就是宇宙微波的各向異性。宇宙微波的各向異性反映了宇宙早期的密度擾動，也就是說，宇宙中有一些區域比其他區域更密集或更稀疏。這些密度擾動是宇宙結構形成的種子，也是物質和輻射之間相互作用的結果。

根據物理理論，我們可以計算出宇宙微波的各向異性譜，也就是不同波長或角度上的溫度波動幅度。然而，觀測結果顯示，宇宙微波的各向異性譜與理論預測有很大差異。這說明宇宙中有一種不與輻射相互作用，但能影響引力勢能的物質，對宇宙微波的各向異性產生了重要影響。這種物質就是暗物質。

最后是宇宙[[[大尺度]]]結構的觀測：這是最直觀展示暗物質存在的方法。宇宙[[[大尺度]]]結構是指由星系、星系團、超星系團等天體組成的復雜網絡狀結構，也被稱為「宇宙網」。根據引力不穩定理論，我們可以推斷出這種結構是如何從初始密度擾動演化而來的。然而，觀測結果顯示，如果只考慮普通物質（如原子、分子等）對引力不穩定的貢獻，那麼無法解釋現在觀測到的宇宙[[[大尺度]]]結構的形成速度和豐富程度。這說明還有一種不可見但占主導地位的物質，在加速了引力不穩定過程，并促進了天體聚集和分離。這種物質就是暗物質。

暗物質的分布基本上是團狀的，分布極不均勻，這一點就和暗能量完全不同。暗能量在宇宙中的分布是十分均勻的，而且暗能量并不參與萬有引力，反而表現成萬有斥力。 關于暗能量的起源，有一個流行的假說是它和愛因斯坦提出的宇宙學常數有關。愛因斯坦最初在他的廣義相對論中引入了這個常數，為了讓他的方程有一個靜態宇宙的解，因為當時人們普遍認為宇宙是靜止不變的。但是後來哈勃發現了宇宙膨脹的證據，愛因斯坦就放棄了這個常數。然而，在1998年，天文學家發現了一些遙遠的超新星爆發，通過分析它們的光譜線，發現它們比預期要昏暗，這意味著它們離我們更遠，也就是說宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹。這個驚人的發現讓人們重新考慮了愛因斯坦放棄的那個常數，也就是暗能量。如果把暗能量理解為一種均勻分布在空間中，并且具有負壓力的能量密度，那麼就可以用廣義相對論中的方程來描述它對時空結構的影響。簡單地說，就是暗能量會使時空結構膨脹，并且抵消引力作用。

目前探測暗能量的方法或實驗有很多種，主要可以分為兩大類：天文觀測和實驗室實驗。天文觀測主要是利用暗能量對宇宙膨脹速度、星系分布、引力透鏡等現象的影響，來推斷暗能量的存在和性質。實驗室實驗主要是利用高能粒子加速器、超冷原子、光學腔等裝置，來模擬或產生暗能量場，從而檢驗暗能量理論的有效性和可行性。 關于暗能量究竟是什麼，我們還沒有確切的答案。 暗物質至少我們還能通過引力透鏡間接地觀察它，推斷它大概在哪個位置，但暗能量就像是隱藏在宇宙間的幽靈，從種種跡象我們知道應該有這個東西，但是至于它在哪、究竟是什麼，我們都一無所知。 無論如何，暗物質和暗能量都是一個極具挑戰性和吸引力的研究領域，如果我們想要了解宇宙的本質和命運，就必須揭開它們的神秘面紗。如果我們能夠發現它們的本質，就可能開啟物理學的新篇章，推動科學技術的進步。