关于空间天文学有一个特别的说法。叫做两暗一黑三起源。其中，“两暗”是指暗物质和暗能量，它们占据了宇宙物质的95%以上，但是很难被直接观测到，只能通过间接的实验方法来探测。“一黑”是指黑洞，它是一种极端的天体，具有强大的引力场，可以吞噬光和物质。“三起源”是指宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源，这些问题关乎到人类对自身和世界的认识和探索。本期内容我们来说一说一黑。暗能量和暗物质是两种不同的物质形式，它们对宇宙的膨胀有着相反的作用。暗物质是一种不可见的质量，它通过引力将星系和星系团等结构保持在一起，从而减缓宇宙的膨胀。暗能量是一种能量，它表现为一种排斥力，使得空间本身不断扩张，从而加速宇宙的膨胀。暗能量的作用大于暗物质，占宇宙总质能的68%，暗物质占27%，剩下的5%则是我们日常接触的普通物质。它们都对宇宙的结构和运动有着重要的影响。它们都是目前科学无法直接观测和解释的物质形式，由于它们都不参与电磁作用，所以我们无法用我们的五感来感知它们。但是我们可以通过一些间接的方法来探测它们的存在和影响。
暗物质是什么？这是一个困扰着人类数十年的难题。暗物质是一种看不见的物质，不是因为没有光照亮它们，而是因为光根本无法照亮它们。那么我们怎么知道它存在呢？答案就是通过引力。暗物质虽然看不见摸不着，但好在参与引力。最早发现暗物质迹象存在的人是荷兰天文学家奥尔特。1932年，他通过研究发现银河系中靠近太阳的恒星，它们的速度分布符合开普勒定律，即距离银河系中心越远的恒星，旋转速度越慢。然后，他观测了银河系边缘的恒星，发现它们的速度分布与开普勒定律不符，即距离银河系中心越远的恒星，旋转速度并不变慢，而是保持一个大致相同的值。这意味着银河系边缘的恒星受到了更强的引力作用，而这个引力作用不能完全由可见物质提供。因此，奥尔特推断银河系里面存在着一种看不见的物质，它提供了额外的引力作用，使得银河系边缘的恒星能够保持高速旋转。这种看不见的物质就是我们现在称为暗物质的东西。
目前，关于暗物质存在的证据主要通过以下几种方法。首先是引力透镜效应：这是最有力的证明暗物质存在的方法。引力透镜效应是指一个大质量天体在我们和一个更远天体之间时，会弯曲空间和光线，使得我们看到更远天体的形状和位置发生变化。根据引力透镜效应，我们可以推算出前方天体的质量分布。然而，观测结果显示，前方天体的实际质量要远大于其可见光度所反映的质量。这说明前方天体内部有一种不发光也不反射光的物质，对光线产生了强烈的弯曲作用。这种物质就是暗物质。其次是宇宙微波背景辐射各向异性谱：这是最直接反映宇宙早期结构和演化的方法。
宇宙微波辐射是指宇宙大爆炸后留下来的最古老的电磁辐射，它几乎充满了整个宇宙空间，并且具有很高的均匀性。然而，如果仔细观察宇宙微波在不同方向上的温度分布，会发现有一些微小的波动，这就是宇宙微波的各向异性。宇宙微波的各向异性反映了宇宙早期的密度扰动，也就是说，宇宙中有一些区域比其他区域更密集或更稀疏。这些密度扰动是宇宙结构形成的种子，也是物质和辐射之间相互作用的结果。根据物理理论，我们可以计算出宇宙微波的各向异性谱，也就是不同波长或角度上的温度波动幅度。然而，观测结果显示，宇宙微波的各向异性谱与理论预测有很大差异。这说明宇宙中有一种不与辐射相互作用，但能影响引力势能的物质，对宇宙微波的各向异性产生了重要影响。这种物质就是暗物质。
最后是宇宙大尺度结构的观测：这是最直观展示暗物质存在的方法。宇宙大尺度结构是指由星系、星系团、超星系团等天体组成的复杂网络状结构，也被称为“宇宙网”。根据引力不稳定理论，我们可以推断出这种结构是如何从初始密度扰动演化而来的。然而，观测结果显示，如果只考虑普通物质（如原子、分子等）对引力不稳定的贡献，那么无法解释现在观测到的宇宙大尺度结构的形成速度和丰富程度。这说明还有一种不可见但占主导地位的物质，在加速了引力不稳定过程，并促进了天体聚集和分离。这种物质就是暗物质。
暗物质的分布基本上是团状的，分布极不均匀，这一点就和暗能量完全不同。暗能量在宇宙中的分布是十分均匀的，而且暗能量并不参与万有引力，反而表现成万有斥力。关于暗能量的起源，有一个流行的假说是它和爱因斯坦提出的宇宙学常数有关。爱因斯坦最初在他的广义相对论中引入了这个常数，为了让他的方程有一个静态宇宙的解，因为当时人们普遍认为宇宙是静止不变的。但是后来哈勃发现了宇宙膨胀的证据，爱因斯坦就放弃了这个常数。然而，在1998年，天文学家发现了一些遥远的超新星爆发，通过分析它们的光谱线，发现它们比预期要昏暗，这意味着它们离我们更远，也就是说宇宙不仅在膨胀，而且在加速膨胀。这个惊人的发现让人们重新考虑了爱因斯坦放弃的那个常数，也就是暗能量。如果把暗能量理解为一种均匀分布在空间中，并且具有负压力的能量密度，那么就可以用广义相对论中的方程来描述它对时空结构的影响。简单地说，就是暗能量会使时空结构膨胀，并且抵消引力作用。
目前探测暗能量的方法或实验有很多种，主要可以分为两大类：天文观测和实验室实验。天文观测主要是利用暗能量对宇宙膨胀速度、星系分布、引力透镜等现象的影响，来推断暗能量的存在和性质。实验室实验主要是利用高能粒子加速器、超冷原子、光学腔等装置，来模拟或产生暗能量场，从而检验暗能量理论的有效性和可行性。关于暗能量究竟是什么，我们还没有确切的答案。暗物质至少我们还能通过引力透镜间接地观察它，推断它大概在哪个位置，但暗能量就像是隐藏在宇宙间的幽灵，从种种迹象我们知道应该有这个东西，但是至于它在哪、究竟是什么，我们都一无所知。无论如何，暗物质和暗能量都是一个极具挑战性和吸引力的研究领域，如果我们想要了解宇宙的本质和命运，就必须揭开它们的神秘面纱。如果我们能够发现它们的本质，就可能开启物理学的新篇章，推动科学技术的进步。
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