大爆炸理论是科学家用来描述宇宙起源和随后演化的概念模型。它指出，宇宙始于大约 140 亿年前的一次微小而猛烈的爆炸。那次事件产生了宇宙中所有的物质和能量，包括它的氢和氦。这些轻原子中的一些在数十亿年的时间里在恒星的核心中锻造成今天存在的较重元素的原子，包括我们自己的原子。大爆炸的一个后果是，今天尺寸有限、物质数量有限的宇宙正在膨胀；事实上，大爆炸的发生最初是从宇宙的事实推导出来的。l 扩展。近年来，天文学家进行了许多观察，以验​证大爆炸理论的预测。

人们一直想知道宇宙的起源。部落人民、哲学家、宗教思想家和科学家一直在思考地球和天堂如何以及何时形成的问题。对宇宙起源和结构的现代科学研究被称为宇宙学。

许多世纪以来，宇宙学思想主要限于推测。例如，对于古人来说，太阳和星星是同一类物体并不明显。太阳是一颗与其他恒星非常相似的恒星，只是因为它更近而更亮，但这个事实需要几个世纪才能确定，因为很难测量到夜空中看到的大多数物体的距离。科学时代的早期天文学家虽然知道恒星也是太阳，但假设所有恒星都具有相同的内在亮度，因此只有它们与地球的距离决定了它们的表观亮度。这是不正确的；事实上，单个恒星之间的亮度存在巨大差异。对双星（相互环绕的成对恒星）的检查证明了这些差异。观察到两颗恒星亮度不同的双星系统，很明显，从任何给定恒星接收到的光量不仅仅取决于它的距离。在测量天文物体位置的基本任务可以系统地进行之前，关于整个宇宙的结构和历史的更大问题甚至无法开始回答。

所有恒星的测量都必须在地球附近进行，因为航天器在不到多年的旅行中可达到的任何距离仍然符合“在地球附近”的条件。”比太阳其他最近的恒星是四年多光年远，从地球上看，甚至用肉眼大多数对象，是更远了。（一光年是光在一年中传播的距离：5.88 万亿英里 [9.46 万亿公里]，大约是地球到太阳距离的 60,000 倍。）

有两种相当直接的方法可以确定到最近恒星的距离。第一个是测量它们在一年中的视差或位置的明显变化。当地球围绕太阳旋转时，从一个不断变化的有利位置可以看到星星。最远的天体似乎没有移动，因为地球的位置变化太小，无法影响我们的视野，但最近的恒星似乎在一年中会稍微来回移动。将一根手指举到眼睛前几英寸处，先闭上一只眼睛，然后再闭上另一只眼睛，这样就可以通过眼睛之间的距离反复变换视角来观察视差：手指似乎剧烈地前后跳跃，而房间里的物体移动得少得多。手指的移动'的明显位置是它的视差。通过测量附近的恒星的视差在六个月期间（在此期间，从它的轨道的一侧地球移动到其他），并且知道地球的半径'的轨道，它是简单的三角法来的问题确定到那颗恒星的距离。

另一种确定恒星距离的技术是测量恒星的自身运动。这是一个星的相对于其他恒星引起星视在运动' s到天空实际运动。（所有恒星都在运动，包括太阳。）虽然遥远恒星的运动太小而无法检测到，但多年来，可以看到较近的恒星相对于较远的恒星在改变位置。

然而，这种技术只适用于少数最近的恒星，并没有揭示宇宙的大尺度结构。必须为这项任务开发更复杂的方法，需要不同的天文观测。一种这样的方法依赖于星的检查“ S（或其他天体” S）的频谱，即，它的辐射的强度在不同波长（包括，但不限于，其可见光）。如果使用棱镜将来自恒星的光分成其组成波长，则可以看到连续的波长范围内被许多暗线打断。（我们的太阳的可见部分“频谱S是彩虹）。这些吸收线是通过在星元件引起”s 吸收特定波长光的外层大气。在星形每个暗线“小号光谱对应于一个特定的元素; 在星形吸收线“小号光谱从而得到目录的物质在其外层。此外，这些线条可以利用多普勒效应揭示恒星接近地球或远离地球的速度，多普勒效应是所有行波（包括光波）的基本特性。远离地球的物体光谱中的吸收线向更长的波长移动，而向着地球移动的物体光谱中的吸收线地球被转移到更短的波长。向较长波长的转变称为红移，因为红光出现在可见光谱的长波长端附近，而向较短波长的转变称为蓝移。谱线多普勒频移的测量使得绘制宇宙大尺度结构成为可能，而大爆炸理论和广义相对论正是解释了这种结构。

在1905年，丹麦天文学家埃纳·赫茨普龙（1873 - 1967）相比，各个分的宽度'为从确定的吸收线的绝对亮度，或星星的亮度适当运动的测量。Hertzsprung 发现，较宽的线条对应于更大更亮的恒星。这提供了一种从光谱中确定恒星绝对亮度的方法。知道它的绝对亮度，他就可以确定它与地球的距离。这种方法适用于任何距离的恒星，而视差和绝对运动方法仅适用于离太阳很近的恒星，但精度有限。

1908 年，美国天文学家亨利埃塔·斯旺·莱维特 (Henrietta Swan Leavitt) (1868 — 1921) 发现造父变星是一种亮度有规律变化的恒星，周期（亮度增减所需的时间）之间存在明确的关系。一个完整的周期）和绝对光度。较亮的造父变星周期较长，而较暗的造父变星周期较短。莱维特计算了亮度和周期之间的简单关系。这一发现对恒星距离测量产生了深远的影响。现在，只要能找到造父变星——比如说，在一个遥远的星系——就可以准确地确定到它的距离。

二十世纪初，天文学家就螺旋星云的性质展开了争论，螺旋状星云是在天空的大部分地区（通过望远镜）可见的扩散螺旋状结构。有些人认为这些是附近的天体，是我们银河系的一部分，而另一些人则认为它们离我们更远，实际上是“岛屿宇宙”或独立的星系。如果可以测量到这些物体的距离，那么争论就可以解决，并且可以获得关于宇宙结构的重要知识。

1914 年，美国天文学家 Vesto M. Slipher (1875 – 1969) 提供了 14 个螺旋星云的速度数据，这些数据是通过测量上述光谱线的多普勒频移而获得的。斯莱弗发现大多数星云出人意料地远离地球。如果星云“小号的运动是随机的，正如许多人预期将朝地球运动的被搬走。为什么太阳恰好位于有组织的运动模式的中心？另一个令人费解的发现是这些物体后退的速度很大。例如，附近的仙女座星云正在加速飞向地球每秒 180 英里（每秒 300 公里）。许多天文学家将此解释为星云一定在我们的银河系之外。

1923 年，美国天文学家埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) (1889 – 1953) 使用威尔逊山天文台的 60 英寸和 100 英寸（152 厘米和 254 厘米）望远镜成功地识别了两个星云外围区域的造父变星， M31和M33。通过测量这些造父变星的周期并使用 Leavitt 几年前开发的公式，他计算出它们距离大约 930,000 光年。根据这些距离和观测到的星云大小，可以计算出它们的实际大小。这些竟然是类似于地球的“小号星系，大力支持的想法，星云是在自己的权利的星系。

1929 年，哈勃在图表上绘制了许多星系的数据。他绘制的距离沿水平轴的星系和星系的速度“经济衰退沿着垂直轴。从这个有限的数据来看，这两个量之间显然存在简单的线性关系；平均来说，星系的速度“经济衰退呈正比于星系的距离。（仙女座星系是我们本地星系群的一个成员，它或多或少地作为一个整体运动：本地星系群的其他成员确实遵守这个一般的红移规则。）距离和速度之间的比例常数，现在称为的哈勃'常数（ħ)，由直线的斜率给出。从这些数据，哈勃'常数被估计为每秒每百万秒差距（500公里/秒/ Mpc）310英里-即，星系1百万秒差距（一百万秒差距，其中一个秒差距= 3.26光年）远会以 310 英里/秒（500 公里/秒）的速度远离我们的银河系，而距离十倍远的银河系的移动速度将是其十倍。现代值ħ比哈勃小得多' 500公里/ S / Mpc的第估计。哈勃描述的速度和距离之间的关系“常数被称为哈勃”定律。

星系向各个方向远离地球并不是因为地球位于宇宙的中心，而是因为所有星系都在相互后退，也就是说，每个星系都在远离每个其他星系。有一种简单的方法可以将这种效果可视化。想象一个部分被吹胀的气球，在气球的表面上绘制了许多点（代表星系）。随着气球膨胀，每个点都离它的邻居越来越远；此外，从任何一个点到气球同一侧的任何另一个点的距离（在气球表面测量）随着两个点彼此远离而增长得更快。这可以通过想象一行中的三个点（A、B 和 C）以及气球's 表面在它们之间均匀扩展。从 A 到 B 的距离以每秒x英寸的速度增长，从 B 到 C 的距离也是如此；因此，从 A 到 C 的距离必须以 2 x in/s ( x + x = 2 x ) 的速度增长。因此，无论从哪一个观察者位于上的气球，他们将遵守所有的气球的其他部位“ S面服从哈勃”定律：离得越远他们的速度越快，他们退去。没有首选方向，没有首选位置，也没有气球的“中心” 's 表面。空间三维宇宙中星系的行为类似于气球二维表面上的点的行为。

这个模型有一个重要的含义。如果所有星系都以与其间隔成正比的速度相互远离，那么在更早的时间里，星系之间的距离就更近了。如果回溯得足够远，那么一定有一段时间所有人都处于同一位置——也就是说，宇宙一定有一个开端。事实上，如果扩大，所有的时间一直不变，宇宙的年龄仅仅是哈勃的逆“常数。这种情况并非如此简单，因为科学家们期望哈勃“s 常数随时间变化（星系之间的引力有减缓膨胀速度的趋势，而最近的观察表明，宇宙的膨胀实际上是在一种与重力相反的神秘力的影响下加速的）。

哈勃'的原始测量得到大约两十亿年宇宙的年龄。这立即引起了争议，因为从放射性衰变的测量中得知，太阳系的年龄是这个值的两倍多。太阳系是如何在宇宙之前形成的？它是目前已知的是哈勃“的原始测量是错误的。电流测量放哈勃“常数的范围为50 - 100，给予10年龄- 20十亿年。来自许多来源的地质和天文数据最近趋于一致，估计宇宙年龄约为 137 亿年。

当爱因斯坦发展他的广义相对论时，他在方程中添加了一个术语，即宇宙常数，以允许一个既不膨胀也不收缩的静态宇宙。后来他后悔了，称这是他犯过的最严重的错误。然而，最近发现的宇宙膨胀实际上是加速带来了爱因斯坦'小号宇宙常数回青睐。尽管如此，俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼（1888 - 1925）和比利时天文学家乔治·勒马î TRE（1894 - 1966）（分别于1922年和1927年）发现解决方案，以爱因斯坦'是允许膨胀的宇宙方程。哈勃之后'在 1929 年的发现中，人们对这些模型产生了极大的兴趣，它们可以用来解释观察结果。

大爆炸似乎是新数据的明显暗示——如果一切都在膨胀，那么它们一定都曾经被压缩在一起——但是在哈勃之后的几十年里，避免了一个有明确开端的宇宙的尴尬的稳态模型已经得到支持。进行了测量。更有希望的模型之一，不断创造，假设新的氢原子在整个空间中不断自发地形成，从无到有，随着旧星系的分离，为新星系提供材料。根据这个理论，宇宙一直在膨胀，没有开始，一直是现在这样，将来也永远是现在这样。该理论预测，邻近的星系将类似于那些遥远，但人们发现，遥远的星系都在附近的人其实不同的，这是从大爆炸同意“的索赔，宇宙不处于稳定状态。它是这种稳态理论的创始人之一，英国天文学家弗雷德·霍伊尔( Fred Hoyle，1915 –2001年），谁创造了这个词大爆炸，现在用来形容根据哈勃膨胀宇宙模型“小号的意见。霍伊尔选择了嘲笑这个理论的表达方式，但这个名字却卡住了。

大爆炸的当前画面可以简单描述如下。由于当前物理定律的表述非常接近于大爆炸本身，因此该帐户将在事件发生后一秒开始计算。此时，温度为 10,000,000,000K。这对于原子来说太热了，因此它们的基本粒子成分（电子、质子和中子）与光子（光粒子）和各种奇异粒子分开存在。在接下来的 100 秒内，温度下降了 10 倍，足以让轻元素如氘（氢的同位素）和氦的原子核形成。随着进一步冷却，这些原子核与电子结合形成原子。

在这一点上应该强调的是，宇宙的膨胀意味着空间本身也在膨胀。这与普通爆炸有着根本的不同，在普通爆炸中，物质会膨胀到周围的空间体积中。空间本身的膨胀可以比喻为前面提到的充气气球表面积的增加；当气球膨胀时，它的表面积会增加，但不会膨胀到任何更大的周围表面，就像圆形波纹在池塘表面上膨胀一样。同样，我们的宇宙也没有膨胀到任何更大的、周围的空间体积。

空间的膨胀具有重要的宇宙学意义。一是随着空间膨胀，宇宙的平均温度随之下降。这种冷却对宇宙背景辐射有重要影响。

在宇宙历史的早期，当它的密度极高时，粒子和辐射处于平衡状态，这意味着温度分布非常均匀。这种分布产生具有特定光谱的辐射，即黑体光谱，其具有明确定义的峰值波长。这种类型的辐射目前以微波辐射（大爆炸的余辉）的形式遍布所有空间。由于宇宙，这辐射的峰值的膨胀'小号光谱-其温度-已通过现在已被转移到下面3K（- 454 ° F [ - 270 ° C]），或以上三度绝对零度，尽管它最初的温度很高。宇宙背景辐射首先由美国天体物理学家 Arno Penzias (1933 – ) 和美国射电天文学家Robert Wilson (1936 – ) 于 1965年探测到。 COBE 航天器的测量表明，光谱是近乎完美的 2.73K ( – 454.5)黑体辐射° F [ – 270.27 ° C])，正如大爆炸理论所预测的那样。

如上所述，只有最轻的元素是在大爆炸本身中产生的。随着宇宙的膨胀，块状发展，形成了密度更高和密度更低的气体区域。引力最终导致高密度区域合并成恒星和星系，由于它们核心的核反应而变得发光。这些反应今天仍然为恒星提供动力，它们吸收氢和氦并产生一些较重的元素。一旦其轻元素核燃料耗尽，恒星可能会爆炸成超新星，在此过程中产生更重的元素。正是这些较重的元素构成了太阳系、地球和人类。人体中的每一个原子（除了氢以外的所有元素；体内几乎没有氦）都是在数十亿年前一颗爆炸恒星的核心中产生的。

宇宙的最终命运将是什么？它会永远继续扩张，还是最终会在“大紧缩”中收缩？”要理解这个问题，可以使用从地球表面发射的射弹的类比。如果抛射体有足够的速度推出，这将摆脱地球“引力和旅行上永远。但是，如果速度太慢，重力会将其拉回地面。今天的宇宙也有同样的效果。如果宇宙有足够的质量，万有引力作用在所有物质之间，最终会导致膨胀减慢、停止、逆转，宇宙会越来越小，最终坍缩。

这似乎不太可能。天文学家根据他们看到的发光物体估计了宇宙中的质量，计算出的总质量远小于关闭宇宙所需的质量，即防止其永远膨胀。从其他测量中，他们知道宇宙中还有大量看不见的质量，称为暗物质。这种暗物质的数量尚不清楚，但大大超过了宇宙中所有恒星的数量。天文学家正在深入研究和辩论暗物质的性质。它不应与“暗能量”混淆，这是一种单独的现象。

1998 年，研究某组超新星的天文学家发现，较老的天体正在以与较年轻的天体大致相同的速度后退。根据封闭宇宙的理论，宇宙的膨胀应该随着年龄的增长而放缓，并且较老的超新星应该比年轻的超新星消退得更快。观察结果显示相反的事实使许多科学家相信宇宙实际上是开放的。其他理论家认为宇宙是平的——也就是说，它既不会永远坍缩也不会膨胀，而是会在两者之间保持引力平衡并保持惯性膨胀。

在20世纪90年代后期开始，各种意见都证明-天文学家'惊讶-宇宙的膨胀正在加速实际。如此看来，宇宙的命运将是无限膨胀。最终，所有能源都会耗尽自己，在数万亿年后，甚至构成普通物质的质子和中子也会分解。如果这个愿景是正确的，宇宙最终将是一个由亚原子粒子组成的、温度均匀的、不断膨胀的扩散气体。

虽然大爆炸模型已经很好地解释了宇宙所见，并得到了无数天文观测的证实，但仍有许多悬而未决的问题。

美国航空航天局“小号WMAP（威尔森微波各向异性探测器）卫星于2003年开始进行观测，以解决问题; 截至 2006 年，大多数天文学家都同意哈勃常数的值为 70 km/s/Mpc（不确定性为 +2.4 至– 3.2 km/s/Mpc）。WMAP 数据还显示，宇宙仅由 4% 的普通物质组成——任何种类的已知粒子。宇宙的百分之二十二的是暗物质，它的性质是未知的，但是这是众所周知的吸引像其他的事情，和宇宙的75％由“暗能量”，其性质也是未知的，但供应加速宇宙'l 扩展。因此，在基础物理学的突破性发现揭示暗物质和暗能量的本质之前，我们仍然对宇宙 96% 的本质一无所知。

另一个悬而未决的问题是星系实际上是如何由早期宇宙中非常接近均匀、均质的介质形成的。从微波背景辐射的均匀性可知，这种均匀性优于千分之一。然而，仅通过观察天空，就可以看到宇宙中的大量结构，包括非常大尺度的星系团和更远的星系。一定有某种类型的结块发生在开始这个过程（重力帮助这个过程），但是是什么开始的呢？物理学家正在量子力学中寻找答案，这是一门关于非常小的事件的科学。答案就在那里，因为在大爆炸的那一刻，宇宙的大小是亚原子的。量子水平的随机波动，今天只出现在亚原子水平，——在极短的时间间隔内——在整个宇宙中引起涟漪。这些涟漪今天作为星系的大规模团块持续存在，天文学家已经观察到并发现它们与大爆炸理论一致。

大爆炸理论的出发点是爱因斯坦的广义相对论结合宇宙学原理。广义相对论是一种度量引力理论，现在通过对双脉冲星的观测得到了高精度验证。宇宙学原理也得到了极其精确的验证，只要能做到这一点。

宇宙学原理断言，对于任何观察者来说，宇宙在统计上都是各向同性和均匀的。宇宙微波背景已证明各向同性达到 100,000 分之一的水平。没有诸如可能与宇宙几何中心相关的首选方向。鉴于埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 在 1929 年发现的红移和距离之间存在很强的经验相关性，星系红移勘测提供了宇宙的三维地图，证明了同质性。随着人们对宇宙的探测越来越深入，达到几千兆秒差距（1 秒差距 = 3.2 光年）的距离，发现星系的密度是均匀的。正如一些人所争论的那样，人类绝对不会居住在平均密度极低的分形宇宙中。可以将任何大规模的不均匀性设置为大约 10% 的限制；否则，在星系红移与距离的哈勃图中会引起过度扰动。

应用于爱因斯坦引力场方程的宇宙学原理导致了显着的简化。1917 年，爱因斯坦发现了一个静态宇宙学模型，只有通过调用排斥力才能防止它在无情的引力牵引下崩溃。这种力被奉为宇宙常数，这个术语在牛顿引力中没有对应项，也没有影响，但仅在宇宙学尺度上很重要。用现代的说法，宇宙常数与真空能量相同，它的引入导致了爱因斯坦静态宇宙。

事实上，爱因斯坦忽略了场方程唯一满足宇宙学原理且不需要引入宇宙学常数的真正宇宙学解。他的错误很快被亚历山大·弗里德曼在 1924 年纠正，乔治·勒梅特在 1927 年独立地纠正了他的错误，他发现了膨胀的宇宙宇宙学模型。

膨胀的宇宙后来被称为大爆炸，原因很简单，它是从一个无限密度的点状奇点膨胀的。一开始人们就意识到，这个奇点是一种数学人工制品，表明缺失的物理学仅在半个世纪后才被提供。空间本身是均匀的、无界的、不断膨胀的。空间没有中心也没有边缘。

大爆炸理论确实预言了宇宙的膨胀，20 世纪早期的许多科学家，包括哈勃本人，都认为这个结果过于激进而无法接受。描述宇宙演化的方程来自爱因斯坦的广义相对论。为了描述扩展，我们引入了比例因子a ( t )。物理距离是d = ra ( t )，其中r是坐标或共同移动距离，目前只是一个固定的数字，通常根据质量尺度进行评估。爱因斯坦方程为G μ v = 8π GT μ v + Λg μ v。这里，g μν是宇宙的度量，它被合并到爱因斯坦张量G μν 中来描述引力，T μν是能量-动量张量，它描述了作为引力源的宇宙的物质和辐射含量. 对应于真空密度的另一个重要重力来源是宇宙常数 Λ。

在宇宙学原理下，等价于关于每一点的球对称，得到了弗里德曼-勒梅特宇宙学方程。这可以转化为宇宙能量方程的形式：左边的第一项描述了动能物质的外壳，第二项是它的重力势能。在没有宇宙常数项的情况下，有三种不同的解决方案。这些可以通过空间曲率来方便地描述，在牛顿极限下，空间曲率对应于任意放置的膨胀物质壳的总能量。壳的总能量可能为零，在这种情况下空间是平坦的；负能量，在这种情况下，空间像球面一样正弯曲；或正能量，这导致空间像双曲面的表面一样负弯曲。常数 - k表示每单位质量壳的总能量，可能是 -1、0 或 -1，对应于负、零或正能量的宇宙。平坦的和负弯曲的空间是无限的，只有正弯曲的空间是有限的。

人们可以通过引入临界密度来区分 Friedmann-Lemaître 方程的三个解。这是平坦的或爱因斯坦-德西特宇宙的密度，等于这里，H 0是哈勃常数。由于物质含量，一个没有宇宙常数的宇宙正在减速。在早期，这三个空间是无法区分的。只有在后期它们才会彼此偏离，负能量空间封闭模型在达到其最大程度之前比其他模型减速得更强烈，然后重新坍缩到未来的奇点。

为了进一步研究减速，我们可以应用质能守恒，得出宇宙减速的方程：

从减速方程可知，如果满足负能量条件，则宇宙实际上加速，ρ + 3 p ≤ 0。实际上，宇宙常数满足ρ + 3 p = 0，解为( t ) α exp In这个解，密度是常数，等于 Ω Λ ≡ Λ/ H 2其中 Ω Λ是真空密度对应于相对于k = 0 宇宙的宇宙学常数，H 0是目前的哈勃常数。

今天的弗里德曼-勒梅特方程简化为 Ω tot ≡ Ω mat + Ω rad + Ω Λ - 1 = k / a 2 H 2，其中物质的质量密度 ρ mat α a -3和辐射 ρ rad a -4。宇宙压力含量的三种可能性是p = p m « ρ c 2，适用于物质辐射解耦时代；p = ρ rad c 2/3，适用于物质辐射解耦之前；和p = w ρ，将宇宙常数推广到任意状态方程。在后一种情况下， ρ α a -3(1 + w )，其中w = -1 对应于宇宙常数的情况。在a / a 0 = Ω rad /ρ mat或红移大于 1 + z eq = a 0 / a ( t eq ) = 3,000(Ω mat /0.3)之前，宇宙是辐射主导的。

勒梅特将现代物理学中最伟大的预言之一，即宇宙应该膨胀，表述为一种关系，表示遥远星系的衰退速度与其距离之间的比例关系。1929 年，哈勃证实了红移-距离关系，这被称为哈勃定律，ν = H 0 d，其中 ν 是衰退速度，d是光度距离。后者是通过识别一类用于确定银河系大小的发光变星造父变星来测量的星系，以及最近的与其最近邻星系的距离。哈勃使用更遥远星系中最亮的恒星作为他的基本距离指标。他探索了一个延伸到室女座星系团的区域。事后看来，人们知道哈勃的距离指示器是错误的，因为他无法将 HII 区域与恒星区分开来。众所周知，哈勃星系所在的地球和室女座星团之间的区域主要是随机运动。宇宙的一致性只会在处女座之外变得明显。尽管如此，哈勃还是在 1929 年宣布他发现了红移距离定律。红移是由多普勒效应产生的并导致后退星系向更长波长的系统位移。蓝移将指示方法；只有少数最近的星系有蓝移光谱。

Vesto Slipher 在 20 世纪的头几十年发现了星系红移的普遍性。平均而言，星系越暗，红移越大。然而，试图了解距离与红移之间关系的观察者过多地关注了理论宇宙学家，他们只知道德西特宇宙中存在红移的可能性。德西特宇宙学模型是一头奇怪的野兽。这是一个空旷的宇宙，其中的距离与红移呈指数关系。该模型中附近的星系显示距离对红移的二次依赖。值得称赞的是，哈勃并不十分关心理论。他比他的前辈们所做的更精确地重新评估距离，并推断出被称为哈勃定律的线性关系。到他临终的那一天，尽管勒梅特和弗里德曼在他之前做出了预测，但哈勃无法接受宇宙正在膨胀。在哈勃宣布这一消息后的一年内，大多数宇宙学界都利用哈勃定律来推断空间正在扩大。

鉴于星系距离的巨大不确定性以及哈勃最初只对如此小的宇宙体积进行采样，回想起来很难理解哈勃是如何推断出线性定律的。哈勃常数以每单位距离的速度为单位测量，实际上是反时限。哈勃推断的值为 600 km/s/Mpc。H 0的现代值小一个数量级，达到 70 km/s/Mpc，不确定性约为 15%。推断的时间尺度 1/ H 0如果没有发生减速（或加速），则是宇宙年龄的量度。根据哈勃的测量推断出的年龄约为 15 亿年，远小于地球的已知年龄。因此，许多天文学家起初不愿意接受膨胀的宇宙解释。

发生了什么变化？首先，宇宙学家非常聪明。在勒梅特的影响下，爱因斯坦首先引入的宇宙常数使宇宙静止，重新引入。Eddington 和 Lemaître 主张一个从静态阶段开始的宇宙，在开始膨胀之前会持续必要的时间。勒梅特表明星系可以在这样的宇宙中形成。一个变体是一个膨胀的宇宙，由于宇宙常数的影响，它经历了一个延长的惯性阶段，最终膨胀。这种方法极大地延长了宇宙的年龄。

然而，最重要的是，观察者修改了距离尺度。部分原因是认识到哈勃将最亮的恒星与巨大的 HII 区域混淆的重大错误。Alan Sandage 从 1960 年起主要负责开发一种新的距离校准器，该校准器利用星团中最亮的星系作为标准烛光。这使他能够远距离探测宇宙并将哈勃常数降低到 200 km/s/Mpc。当沃尔特·巴德 (Walter Baade)出现重大突破时公认有两种类型的造父变星。当巴德成功地识别出仙女座星系中的星群 I 和星群 II 并意识到有两种类型的造父变星在光度上存在明显差异时，这两种类型之间的混淆才消失。他能够将距离比例增加一倍。其余的改进发生得更慢。近 40 年来，宇宙学家一直在 50 到 100 公里/秒/Mpc 范围内争论哈勃常数。当哈勃太空望远镜能够分辨出我们本地群之外的几个星系中的造父变星时，决议就出现了，在这些星系中也发现了超新星。超新星是具有一对上的爆炸灾难性一旦Chandrasekhar的质量限制白矮星合并相关联的类型的白矮星超过了。这些 SneIa 在螺旋星系和椭圆星系的老恒星群中都有发现，它们的亮度足以在可观测宇宙的边缘被探测到，同时也是可靠的距离指示器。Ia 型超新星似乎具有相同的光度，相当于 10 亿个太阳发出的最大光，一年后逐渐消失。光变曲线被解释为由核心坍缩中产生的 0.6 个太阳质量的 Ni 56的放射性衰变产生的，并为理想的标准烛光提供能源。

已经探测到 Ia 型超新星的回溯时间是宇宙现在年龄的一半，从光的波长红移了 2 倍。距离测量足够精确（达到 15%），现在已经证实了宇宙的加速。在最遥远的超新星中发现了与哈勃线性定律的偏差。根据哈勃常数和测得的加速度推断出的宇宙年龄为 150 亿年。

有两种完全独立的宇宙年龄测量方法。通过钍和铀同位素测量的放射性测年适用于旧晕星的丰度。用世界上最大的望远镜在两颗晕星中探测到了半衰期为 14 Gyr 的钍232和半衰期为 4.5 Gyr 的铀238。核天体物理学理论提供了相对于铁的初始丰度的估计。观测到的比率提供了对宇宙年龄的估计，因为超新星合成了这些元素并将它们喷射到碎片中，这些碎片最终被合并到了形成恒星等恒星的分子云中。

另一个年龄确定来自于恒星演化理论对球状星团的应用。球状星团是由数以百万计的恒星组成的系统，这些恒星早于我们的银河系。人们知道它们很古老，因为与太阳中的金属相比，恒星光谱中测量的金属丰度较低。因此，球状星团一定在太阳出现之前很久就形成了。当恒星通过将氢热核燃烧成氦而辐射能量时，它们的光度会演化，随着化石燃料逐渐耗尽和中心温度升高而变得更亮。较重的元素被燃烧，首先是氦，然后是碳，以提供中心温度和压力。一旦氢、氦和碳的核燃料供应耗尽，恒星很快就会耗尽燃料。

如果这颗恒星最初的重量小于 8 个太阳质量，那么它在核心加热时的最终命运是它的包层膨胀。这颗恒星变成了一颗发光的超巨星。外壳被驱逐，变成可见的行星状星云。喷射物在大约 10 4年后慢慢消失，只剩下一颗白矮星。如果这颗恒星最初的重量超过 8 个太阳质量，它的中心压力就会升高到一个水平，以至于星核通过中子捕获和中微子发射而内爆。一颗中子星在核心形成，结合能的释放驱动了 II 型超新星爆炸。

在球状星团中，恒星是同时形成的，因此人们可以看到不同质量的恒星已经达到不同演化点的快照。因此，人们可以通过与恒星演化模型的比较来推断球状星团的年龄，最好的估计是 130 亿年。再加上大爆炸和球状星团形成之间的延迟时间，必须加上大约 10 亿年，才能得出大约 140 亿年的宇宙年龄。值得注意的是，这与由宇宙学和铀或钍衰变独立确定的年龄非常吻合。

加速的原因是什么？宇宙学家已经绕了一圈，最终得出的宇宙常数值比爱因斯坦最初为静态宇宙引入的值小约 30%。人们可以将宇宙学常数解释为真空的恒定能量密度，直到最近才开始主导宇宙的质量密度。人们不会直接观察到任何这样的能量。因此，它通常被称为暗能量。物质密度随着宇宙的膨胀而降低。当宇宙大约是现在大小的四分之一时，在红移 4 处，暗能量首先变得与物质密度相当。一个后果是，宇宙从物质引力作用下的减速转向暗能量引力斥力作用下的加速。宇宙开始加速。

暗能量产生加速度是因为它有很大的负压，确实是p = -ρ c 2，其中p是暗能量压力，ρ 是暗能量密度。在正常气体中，压力是正的，爱因斯坦的相对论预测它对重力的贡献是有吸引力的。普通气体压力充当重力源。

大质量恒星坍缩形成黑洞的最终命运无法通过气压的作用来避免；事实上，它得到了增强。在膨胀的宇宙中，正压会产生减速，物质也是如此。随着宇宙的膨胀，常压做的功越来越少，产生的热能越来越少。然而，负压有相反的效果。弹性绳在膨胀时会获得能量。更多的能量意味着弹性弦的压力是负的。在膨胀的宇宙中，负压的作用与正压相反：随着宇宙的膨胀，做的功越来越多。这就是加速的动力。负压的作用就像反重力：它是排斥的。

暗能量占宇宙质量能量密度的三分之二。暗能量没有解释；它可以简单地视为对真空能量的贡献。暗能量是完全均匀的，不会像普通物质那样在重力作用下聚集。它只能通过它对宇宙膨胀加速的影响来检测。就基本单位而言，与宇宙常数相关的能量密度非常小，达到10 -121，其中普朗克质量m pl为1.2 × 10 19 GeV。在常规单位中，宇宙常数是平方反比长度，其星等自然是哈勃长度的平方反比，即 10 -56厘米-2或 10 -121。

相比之下，暗物质是可检测的。它相当于宇宙总质量-能量密度的三分之一左右。宇宙质量预算最好用空间平坦宇宙的临界密度来表示，即爱因斯坦-德西特模型，即这可以表示为 3 × 10 11 h M θ Mpc -3。宇宙的光度密度测量为 2 × 10 8 h L θ Mpc -3。因此，闭合的质光比为 1,500 h M θ /L θ。这是对宇宙关闭的明确预测。

实际测量的要少得多。早在 1933 年，星系团就给出了暗物质在大尺度上普遍存在的第一个迹象。然而，第一个可靠的值来自星系旋转曲线，它提供了暗物质在普通星系中占主导地位的证据，特别是在银河系。大型螺旋星系的自转曲线在远距离处通常是平坦的，这表明远离开普勒预期，如果质量追踪光，则质量实际上随着星系中心半径M (< r ) α r 的增加而增加。质光比的典型值为 100 h M θ /L θ，而在半光半径内，人们发现大约 10 h M θ /L θ的值，实际值略微取决于星系的类型。星系旋转曲线是通过无线电技术使用 21 厘米的原子 H 以低分辨率测量的，并通过 Hα 发射线在光学波段中以高分辨率测量。获得了一致的结果，并且发现暗物质在高达 100 kpc 的尺度上无处不在。

在星系团中，自从早期的确定使用维里定理应用于星系团径向速度的光学测量色散以来，已经取得了很大的进步。两种独立的技术确认了动态测量。一种利用假设处于流体静力平衡的热星系团内气体的 X 射线测量，另一种利用远程背景星系团的引力透镜和随之而来的图像失真。所有三种方法始终产生 300 h M θ /L θ 的值。探测的规模是 1 Mpc。

在更大的尺度上，没有可以可靠探测的平衡重力束缚结构。一种方法利用星系进入室女座超星系团的坠落运动。这可以在高达 20 Mpc 的尺度上探测暗物质密度。另一项对更大尺度（高达 100 Mpc）暗物质密度的探测利用了大规模星系红移调查中获得的星系计数的差异。星系分布在大尺度上的聚集是通过星系计数在随机放置的球体上的平均波动来衡量的。足够大尺度的物质必须与光相关。在物质密度中推断出的波动提供了一个引力源，它在哈勃流中引起了扰动，可以观察到星系和星系团的随机运动。m ≈ 0.3，与为星系团推断的质光比一致。如果宇宙处于临界密度，则会观察到更大的哈勃流扭曲和星系特有的速度以及星团流运动，达到 1,000 公里/秒或更多。观测到的星系随机运动达到大约 300 公里/秒。这种方法探测暗物质到 100 Mpc。

对室女座超星系团内星系特有的速度模式、高红移星系的大面积弱透镜化以及星团数密度的红移演化的研究也得出了类似的结论。观察到高于给定质量的丰富的星团丰度只会随着宇宙的膨胀而缓慢增加。星团形成理论预测，由于引力不稳定性驱动的密度波动的增长，临界密度宇宙中的大质量星团丰度会迅速增加，如果宇宙密度低于临界值，这种效应就会被系统地抑制。

宇宙中只有大约 10% 的暗物质是重子。George Gamow和他的合作者在 1940 年代预测了轻元素的核合成。这需要宇宙的热起源，进而导致拉尔夫·阿尔弗、乔治·伽莫夫和罗伯特·赫尔曼在 1950 年对宇宙辐射背景的预测。宇宙学背景辐射的黑体和微波性质是第一个1964 年得到安德烈·多罗什凯维奇和伊戈尔·诺维科夫的赞赏，1965 年得到罗伯特·迪克及其合作者的赞赏。后一组的搜索被 Arno Penzias 和Robert Wilson于 1965 年同时发现的宇宙微波背景 (CMB)所取代。

1990 年，COBE 卫星以惊人的精度证实了 CMB 的黑体性质。没有发现与黑体光谱的偏差在百分之几之内。当物质和辐射处于热平衡时，这为宇宙的热起源提供了雄辩的证据。黑体温度测量为 2.728 K，不确定性仅为 0.004 K。伽莫夫已经确定了热宇宙的关键成分。当今的宇宙是寒冷的，由物质主导。但是，观察到的辐射密度，虽然今天的质量密度仅为 Ω rad = 10 -5，但在过去，由于光子能量在膨胀过程中发生红移，因此占主导地位。

现代对 He 4、He 3、D 和 Li 7丰度的测定被发现与大爆炸起源一致，现在测量了 CMB 黑体温度，它们提供了原始重子丰度的准确解释。发现 Ω重子h 2= 0.02，不确定性仅为 10%。宇宙中重子分数的独立确认来自对两个不同时期的星系间介质的研究。在高红移处，人们可以在类星体的光谱中看到吸收星系际中性氢。这种气体存在于大量的云和细丝中，我们需要应用电离光子通量，通过类星体发射光谱直接测量，来推断星系际气体的总量。在低红移时，星系团中的热星系团内气体通过其 X 射线发射通量测得约为星系团总质量的 10%。由于星团被认为质量足够大，可以保留其原始的重子含量，因此我们也可以推断出附近宇宙的重子含量。两种方法都同意。有一个问题，然而。在已知的来源，如恒星和弥漫的星系际气体中，人们只能解释今天预测的重子分数的一半左右。还有一个暗重子物质问题。

CMB的发现使人们对宇宙的起源有了一些非凡的了解。大爆炸曾经是一个火球。只有在红移 Ω m /Ω rad 之后，大约 3 × 10 4，宇宙才成为物质主导的。只有在以物质为主的宇宙中，密度波动才能在重力上不稳定并增强强度。此外，斯蒂芬霍金和罗杰彭罗斯推导出了一个定理，该定理证明了宇宙过去密集的结果（推断是为了使 CMB 热化并被自由电子散射的光子各向同性，然后在经典广义相对论下）宇宙必然经历了过去的奇点。

现在可以开始重建宇宙的热历史了。在 10 -43秒的历元或 10 19 GeV的温度下，量子引力在普朗克尺度上取代了广义相对论。这就是四种基本力——电磁力、弱核力、强核力和引力——统一的地方。尽管量子引力的高维理论包括普朗克尺度物理学在 TeV 能量尺度上表现出来的模型，但目前还没有适用于该机制的首选理论。随着宇宙在普朗克尺度以下膨胀和冷却，随后的演化可以描绘如下。

在 10 16 GeV以上，电磁力、弱核力和强核力无法区分且强度相等。这是大统一（GUT）时代。当温度降至 10 16 GeV以下时，大统一的对称性自发地被打破。由此产生的宇宙物质相的变化涉及导致宇宙膨胀的标量能量场的短暂出现。只要这个所谓的暴胀子场是能量密度的主要来源，宇宙就会呈指数膨胀。宇宙则是 10 -36卖。暴胀子类似于宇宙常数，不同之处在于它的能量密度大约是 10 的 120 倍。暴胀子场的势能支配着动能，这提供了驱动宇宙膨胀的恒定能量密度。势能下降（按设计），膨胀结束约 10 -35秒。巨大的动能会热化或转化为热量，现在又处于传统的热大爆炸阶段，最初由辐射和相对论粒子主导。

在 100 GeV 时，电弱力解耦，随后的基本力强度类似于今天观察到的力，与微弱的电磁力和非常弱的引力相互作用相比，核力强且距离短。在这个时期，宇宙相位的变化有助于在重子数中产生小的不对称性，即粒子数减去反粒子。重子数以无量纲形式表示为 ( N - N̄ )/( N + N̄) 并且仅为 10 -9。然而，随着温度进一步下降，所有强相互作用的粒子都会湮灭成辐射。辐射红移成为CMB。有 10 9宇宙中每个质子的 CMB 光子。一旦温度下降到粒子质量的一小部分以下，遗迹粒子就会从热平衡中冻结。由于强相互作用几乎消灭了所有对，因此很少有pp̄对存活下来。然而，重子过剩意味着没有反重子对应物的重子确实存活下来成为宇宙的现有物质。观察到的宇宙几乎完全由物质组成：反物质含量不到百分之一，否则，人们会看到来自物质-反物质湮灭的伽马射线。

如果存在稳定的弱相互作用粒子，无论是否存在任何原始不对称性，它们都会大量冻结。最轻的超对称粒子或中性粒子就是这样一种可能的稳定遗迹。它的丰度由它的湮灭截面决定，因此Ω x ≈ 10 -38 cm 2 /<σν>。对于弱截面的典型值，中性子是宇宙中非重子暗物质的可行候选者。典型的预测质量尺度为 0.1 到 1 TeV，这是首选的超对称能量尺度。

宇宙现在是夸克、胶子、正电子对、中微子和光子的汤。在大约 200 MeV 时，当夸克和胶子形成强子时，会发生另一个相变。宇宙现在包含处于热平衡状态的质子和中子，n n / n p ≈ e -Δm/kT，或大约 0.1，其中 δ m是质子和中子之间的质量差。一旦温度降至 1 MeV 以下，产生中子的反应就会停止，并且中子会冻结。在 0.5 MeV 时，e + e -对湮灭，中微子冻结。现在为从 0.1 Mev 或 10 9开始的轻元素的核合成设置阶段K，当氘核可以首先形成时。随后的反应产生 He 3、He 4、D、Li 7，所有这些都以今天在原始环境中可测量的丰度产生。在质量数为 5 和 8 处缺乏稳定的核意味着在合成 He 4后核合成逐渐消失。预测的原始 He 4简单地包含了所有中微子：Y = 2 n n ( n p - n n ) -1 ≈ 0.25 质量。

人们期望在诸如星系间介质、星系的最外层、贫金属星系，甚至在适当的外推法、陨石和木星大气等未经处理的环境中找到原始氦。所有丰度都与通用重子分数 Ω b h 2 = 0.02一致，误差在 10% 以内。宇宙的密度和热度足以使物质和辐射的热平衡维持到大约 1 个月的纪元。这是宇宙黑体辐射有效产生的时候。任何光谱失真都将探索这个时代的宇宙物理学。

温度继续下降。氢被电离，辐射经常散射。每个重子有 10 9 个光子，这些足以保持氢完全电离，直到温度降至 0.2 eV 以下。此时，能量高于氢电离阈值 13.6 eV 的光子太少，无法保持氢完全电离。质子和电子结合形成氢原子。与自由电子不同，它们是非常差的电磁辐射散射体。光子的散射突然停止。从大爆炸后 1,000 或 300,000 年的红移到现在，宇宙现在对 CMB 来说是透明的。

对 2.728 开尔文黑体辐射光谱的测量证实了宇宙的热历史可以追溯到大爆炸后几天的时代。对δ T / T ∼ 10 -5水平的温度波动的检测揭示了最后一次散射时期的不规则性，它追踪了大规模结构演化的密度波动。从最后一次散射产生的主要温度各向异性是在从偶极子（180 度）（与相对于 CMB 框架的运动相关）到几分钟的弧度（在最后一次散射时引起的）范围内测量的。

最后一次散射前的密度波动就像介质中的声波，声速接近相对论等离子体的声速，c/√3 最后一次散射后，辐射热解耦，声速下降到a几千开尔文的气体。这意味着密度波动，以前是压力驱动的声波，现在只对重力做出反应，压力完全不重要，至少对于包含最小星系质量的波动而言。事实上，引力占主导地位的最小尺寸，从而形成第一批自引力气体云，大约是一百万个太阳质量。随着时间的推移，云在重力作用下聚集在一起，形成一个星系，最终聚集质量云。星系质量云能够冷却并碎裂成恒星。一个最终形成星系和星系团，后者包含大量太热而无法冷却的气体。

声波在 CMB 上留下了显着的印记。通货膨胀或某种等效理论会产生这些波，当它们进入地平线时，这些波才刚刚开始经历它们的第一个压缩峰值。波长只是跨越自大爆炸以来光传播的距离。此类波在最后一次散射时达到顶峰，其振幅最大。它们在对应于最后一次散射的地平线尺度的角尺度上产生 CMB 波动的峰值，大约 1 度。在最后一次散射中第二次出现波峰的较短波被放大较少并留下较小的角标度峰值。经历第一次稀疏的波也会在中间尺度上留下一个峰值，因为稀疏是在正交中测量为负或正的波动，密度场是随机的。预计有一系列峰值会降低强度，直到达到散射辐射效率低下的波长，以至于没有进一步的波动。然后据说波动被抑制了，这发生在与最后一个散射时期的厚度相对应的物理尺度上，原始声波可以在宇宙经历从电离到中性转变的时间内传播的距离。这相当于大约 30,000 年，因此最小的幸存初级波动的规模约为十分之一度。这发生在与最后一个散射时期的厚度相对应的物理尺度上，原始声波在宇宙经历从电离到中性转变的时间内可以传播的距离。这相当于大约 30,000 年，因此最小的幸存初级波动的规模约为十分之一度。这发生在与最后一个散射时期的厚度相对应的物理尺度上，原始声波在宇宙经历从电离到中性转变的时间内可以传播的距离。这相当于大约 30,000 年，因此最小的幸存初级波动的规模约为十分之一度。

在 CMB 温度波动中测量了一系列峰值。已检测到第一个、第二个和第三个峰。峰的角位置对宇宙的曲率很敏感。例如，如果一个人生活在一个具有双曲几何的开放宇宙中，峰值会转移到较小的角尺度，宇宙就像一个巨大的凹透镜。没有观察到这种效应：就临界能量密度 Ω m + Ω Λ ≈ 1而言，发现宇宙是平坦的，精度在 10% 以内。

对声波峰的探测是对非重子暗物质在宇宙中占主导地位的另一项独立确认。峰由重子产生，由电子散射。根据它们的强度，可以独立推断出值 Ω b ≈ 0.04。Ω m ≈ 0.3 是需要的，以便在早期宇宙中有足够的波动增长，使波动与观察到的一样小。从峰的位置，也测量了状态方程，从大尺度结构和宇宙微波背景观测推断，w大约小于-0.5，与宇宙常数对应的值相差不远。因此，独立确认成立：对于宇宙是平坦的，Ω λ× 0.7。这构成了大爆炸的一致性模型。

大爆炸理论是科学家用来描述宇宙起源的概念和数学模型。它指出，宇宙始于大约 150 亿年前的一次微小而猛烈的爆炸。那次事件产生了宇宙中所有的物质和能量，包括它的氢和氦。其中一些轻原子经过数十亿年在恒星的核心中锻造成今天存在的较重元素的原子，包括我们自己的原子。大爆炸的一个后果是，今天尺寸有限、物质数量有限的宇宙正在膨胀；事实上，大爆炸的发生最初是从宇宙膨胀的事实推导出来的。近年来，天文学家进行了许多观察，以验​​证大爆炸理论的预测。

自古以来，人们就对宇宙的起源感到好奇。哲学家、神学家和科学家们一直在思考地球和天堂如何以及何时形成的问题。对宇宙起源和结构的现代科学研究被称为宇宙学。

许多世纪以来，宇宙学思想主要限于推测。例如，对于古人来说，太阳和星星是同一类物体并不明显。今天众所周知，太阳是一颗与其他恒星非常相似的恒星，只是因为离得更近而更亮。这个简单的事实需要几个世纪才能确定，因为很难确定距离夜空中看到的大部分天体。科学时代的早期天文学家虽然知道恒星也是太阳，但假设所有恒星都具有相同的内在亮度，因此只有它们与地球的距离决定了它们的表观亮度。这现在被认为是不真实的——单个恒星之间的亮度确实存在巨大的差异。双星检查（成对恒星轨道彼此）证明这些差异。当双星在观察到两颗恒星亮度不同的系统中，很明显，从任何给定恒星接收到的光量不仅仅取决于它的距离。在测量天文物体位置的基本任务可以系统地进行之前，关于整个宇宙的结构和历史的更大问题甚至无法开始回答。

所有恒星的测量都必须在地球附近进行，因为所涉及的距离是巨大的。比太阳其他最近的恒星是四年多光年，从地球上看到的，甚至用肉眼大多数对象的眼睛，是更远了。（一光年是光在一年内传播的距离：5.88 万亿英里 [9.46 万亿公里]，大约是地球到太阳距离的 60,000 倍。）

有两种相当直接的方法可以确定到最近恒星的距离。第一个是测量它们在一年中的视差或位置的明显变化。当地球围绕太阳旋转时，从一个不断变化的有利位置看到星星。最远的天体似乎没有移动，因为地球的位置变化太小，无法影响我们的视野，但最近的恒星似乎在一年中略微来回移动。视差可以通过将手指举到眼睛前几英寸处，先闭上一只眼睛，然后再闭上另一只眼睛，从而通过两眼之间的距离反复移动您的观点：手指似乎剧烈地前后跳跃，而物体穿过房间移动少得多。手指明显位置的变化就是它的视差。通过在六个月的时间里测量附近恒星的视差（在此期间地球从其轨道的一侧移动到另一侧），并知道地球轨道的半径，这是一个简单的三角函数来确定到那颗星星的距离。

另一种确定恒星距离的技术是测量恒星的自身运动。这是由恒星在天空中的实际运动引起的恒星相对于其他恒星的表观运动。（所有恒星都在运动，包括太阳。）虽然遥远恒星的运动太小而无法检测到，但多年来，可以看到较近的恒星相对于较远的恒星在改变位置。

然而，这些技术仅适用于少数最近的恒星，并没有透露宇宙的大尺度结构。必须为这项任务开发更复杂的方法，需要不同的天文观测。一种这样的方法取决于对恒星（或其他天体）光谱的检查，即其在各种波长下的辐射强度（包括但不限于其可见光）。如果使用棱镜将来自恒星的光分成其分量波长，可以看到被许多暗线打断的连续波长扩展。（我们太阳光谱的可见部分是彩虹。）这些吸收线是由恒星外部大气中吸收特定波长光的元素引起的。恒星光谱中的每条暗线都对应一个特定的元素；因此，恒星光谱中的吸收线给出了其外层物质的目录。此外，这些线条可以利用多普勒效应揭示恒星接近地球或远离地球的速度，多普勒效应是所有行波（包括光波）的基本特性。在对象的光谱吸收线移动远离来自地球的吸收线向更长的波长移动，而向地球移动的物体光谱中的吸收线向更短的波长移动。向较长波长的转变称为红移，因为红光出现在可见光谱的长波长端附近，而向较短波长的转变称为蓝移。谱线多普勒频移的测量使得绘制宇宙大尺度结构成为可能，而大爆炸理论和广义相对论正是解释了这种结构。

在1905年，丹麦天文学家埃纳·赫茨普龙从确定的（1873年至1967年）进行比较的各种分的吸收线的绝对亮度，或星星的亮度的宽度适当运动的测量。Hertzsprung 发现，较宽的线条对应于更大更亮的恒星。这提供了一种从光谱中确定恒星绝对亮度的方法。知道它的绝对亮度，他就可以确定它与地球的距离。这种方法适用于任何距离的恒星，而视差和绝对运动方法仅适用于距离太阳很近的恒星，但精度有限。

1908 年，美国天文学家 Henrietta Swan Leavitt (1868–1921) 发现造父变星，一种亮度有规律变化的恒星，显示出周期（亮度增减所需的时间）之间的明确关系一个完整的周期）和绝对光度。较亮的造父变星周期较长，而较暗的造父变星周期较短。莱维特计算了亮度和周期之间的简单关系。这一发现对恒星距离测量产生了深远的影响。现在，只要在遥远的星系中发现造父变星，就可以准确地确定到它的距离。

二十世纪初，天文学家就螺旋星云的性质展开了争论，螺旋状星云是在天空的大部分地区（通过望远镜）可见的扩散螺旋状结构。一些人认为这些都是附近的那是我们的一部分对象银河系星系，而其他人认为他们进一步去，实际上是“宇宙岛”，或单独的星系。如果可以测量到这些物体的距离，那么争论就可以解决，并且可以获得关于宇宙结构的重要知识。

1914 年，美国天文学家 Vesto M. Slipher (1875–1969) 提供了 14 个螺旋星云的速度数据，这些数据是通过测量上述光谱线的多普勒频移而获得的。斯莱弗发现大多数星云出人意料地远离地球。如果星云的运动是随机的，那么预计它们中的许多会向地球移动和远离地球。为什么太阳恰好位于有组织的运动模式的中心？另一个令人费解的发现是这些物体后退的速度很大。例如，附近的仙女座星云正以每秒 180 英里（每秒 300 公里）的速度飞向地球。许多天文学家将此解释为星云一定在我们的银河系之外。

1923 年，美国天文学家埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) (1889-1953) 使用威尔逊山天文台的 60 英寸和 100 英寸（152 厘米和 254 厘米）望远镜成功地识别了两个星云外围区域的造父变星， M31和M33。通过测量这些造父变星的周期并使用 Leavitt 几年前开发的公式，他计算出它们距离大约 930,000 光年。根据这些距离和观测到的星云大小，可以计算出它们的实际大小。结果证明它们与地球星系的相似，有力地支持了星云本身就是星系的观点。

1929 年，哈勃在图表上绘制了许多星系的数据。他沿着水平轴绘制到星系的距离，沿着垂直轴绘制星系衰退的速度。从这个有限的数据来看，这两个量之间显然存在简单的线性关系；平均而言，星系后退的速度与到星系的距离成正比。（仙女座星系是我们当地星系群的成员，不遵守这个一般规则。）距离和速度之间的比例常数，现在称为哈勃常数(H)，由线的斜率给出。根据这些数据，哈勃常数估计为每秒 310 英里/秒差距 (500 km/s/Mpc)——也就是说，1 秒差距（一百万秒差距，其中一秒差距 = 3.26 光年）的星系将会移动以 310 英里/秒（500 公里/秒）的速度远离我们的银河系，而十倍远的银河系的移动速度将是其十倍。H 的现代值远小于哈勃估计的 500 km/s/Mpc。由哈勃常数支配的速度和距离之间的关系称为哈勃定律。

星系正在向各个方向远离地球，因为所有星系都在相互后退，也就是说，每个星系都在远离每个其他星系。有一种简单的方法可以将这种效果可视化。想象一个被部分吹大的气球，在气球的表面上绘制了许多点（代表星系）。随着气球膨胀，每个点都离它的邻居越来越远；此外，从任何一个点到气球同一侧的任何另一个点的距离（在气球表面测量）随着两个点彼此远离而增长得更快。这可以通过想象成一排的三个点（A、B 和 C）来看到，气球的表面在它们之间均匀膨胀。从 A 到 B 的距离在x 处增加英寸每秒，从 B 到 C 的距离也是如此；因此，从 A 到 C 的距离必须以 2 x in/s ( x + x = 2 x ) 的速度增长。因此，无论观察者位于气球上的哪个位置，他们都会观察到气球表面的所有其他点都遵循哈勃定律：距离越远，后退越快。没有首选方向，没有首选位置，也没有气球表面的“中心”。空间三维宇宙中星系的行为类似于气球二维表面上的点的行为。

这个模型有一个重要的含义。如果所有星系都以与其间隔成正比的速度相互远离，那么在更早的时间里，星系之间的距离就更近了。如果回溯得足够远，那么一定有一段时间所有人都处于同一位置——也就是说，宇宙一定有一个开端。事实上，如果膨胀一直是常数，那么宇宙的年龄就是哈勃常数的倒数。这种情况并非如此简单，因为科学家们预计哈勃常数随时间变化（星系之间的引力有减缓的趋势率 膨胀，而最近的观察表明，宇宙的膨胀实际上是在一种与重力相反的神秘力的影响下加速的）。

哈勃最初的测量给出了宇宙的年龄大约为 20 亿年。这立即引起了争议，因为从放射性衰变的测量中得知，太阳系的年龄是这个值的两倍多。太阳系是如何在宇宙之前形成的？现在知道哈勃最初的测量是错误的。目前的测量结果表明哈勃常数在 50-100 的范围内，年龄为 10-200 亿年。

当爱因斯坦发展他的广义相对论时他在方程中添加了一个术语，即宇宙常数，以允许一个既不膨胀也不收缩的静态宇宙。（他后来对此感到后悔，称这是他犯过的最严重的错误之一；然而，最近发现宇宙膨胀实际上正在加速，使爱因斯坦的宇宙常数重新受到青睐）。然而，尽管使用了这个额外的术语，俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼 (1888-1925) 和比利时天文学家乔治·勒梅特 (1894-1966) 找到了爱因斯坦方程的解（分别在 1922 年和 1927 年），允许宇宙膨胀。在哈勃 1929 年发现之后，人们对这些模型产生了极大的兴趣，它们可以用来解释观测结果。

大爆炸似乎是新数据的明显暗示，但在哈勃进行测量后的几十年里，稳态模型避免了一个有明确开端的宇宙的尴尬。更有希望的模型之一，“不断创造”，假设新的氢原子在整个空间中不断自发地形成无中生有，随着旧星系的分离，为新星系提供材料。根据这个理论，宇宙一直在膨胀，没有开始，一直看起来像现在这样，而且永远看起来像现在这样。该理论预测附近的星系会与远处的星系相似，但发现远处的星系实际上与附近的星系不同，这与大爆炸关于宇宙并非处于稳定状态的说法是一致的。英国天文学家弗雷德·霍伊尔( Fred Hoyle，1915-2001 年)是这种稳态理论的创始人之一，他创造了“大爆炸”一词，现在用来描述基于哈勃观测的膨胀宇宙模型。霍伊尔选择了嘲讽这个理论的表达方式，但名字却卡住了。

大爆炸的当前画面可以简单描述如下。由于当前物理定律的表述非常接近于大爆炸本身，因此该帐户将在事件发生后一秒开始计算。此时，温度为 10,000,000, 000K。这对于原子来说太热了，因此它们的基本粒子成分（电子、质子和中子）与光子（光粒子）和各种奇异粒子分开存在。在接下来的 100 秒内，温度下降了 10 倍，足以让轻元素（如氘（一种同位素）氢）和氦气形成。随着进一步冷却，这些原子核与电子结合形成原子。

在这一点上应该强调的是，宇宙的膨胀意味着空间本身也在膨胀。这与普通爆炸有着根本的不同，在普通爆炸中，物质会膨胀到周围的空间体积中。空间本身的膨胀可以比喻为前面提到的充气气球表面积的增加；当气球膨胀时，它的表面积会增加，但不会膨胀到任何更大的周围表面，就像圆形波纹在池塘表面上膨胀一样。同样，我们的宇宙也没有膨胀到任何更大的、周围的空间体积。空间的膨胀具有重要的宇宙学意义。一是随着空间膨胀，宇宙的平均温度随之下降。这种冷却对宇宙背景辐射。

在宇宙历史的早期，当它的密度极高时，粒子和辐射处于平衡状态，这意味着温度分布非常均匀。这种分布产生具有特定光谱的辐射，即黑体光谱，其具有明确定义的峰值波长。这种类型的辐射目前以微波辐射（大爆炸的余辉）的形式遍布所有空间。由于宇宙的膨胀，这种辐射光谱的峰值——它的温度——现在已经转移到 3K（-454°F [-270°C]）以下，或者比绝对零高三度，尽管它最初的温度很高. 宇宙背景辐射首先由美国天体物理学家 Arno Penzias (1933–) 和美国无线电发现天文学家罗伯特·威尔逊( Robert Wilson) (1936–) 在 1965 年。 COBE 航天器的测量结果表明，正如大爆炸理论所预测的那样，光谱在 2.73K (-454.5°F [-270.27°C]) 处是一个近乎完美的黑体。

如上所述，只有最轻的元素是在大爆炸本身中产生的。随着宇宙的膨胀，最终形成了不均匀性，形成了密度更高和密度更低的气体区域。重力最终导致高密度区域合并成星系，最终由于核心的核反应而变得发光。这些反应吸收氢和氦并产生一些较重的元素。一旦其轻元素核燃料耗尽，恒星可能会爆炸成超新星，在此过程中产生更重的元素。正是这些较重的元素构成了太阳系、地球和人类。人体中的每个原子（除氢以外的所有元素）都是在数十亿年前在一颗爆炸恒星的核心中产生的。

宇宙的最终命运将是什么？它会永远继续扩张，还是最终会在“大紧缩”中收缩？要理解这个问题，可以使用从地球表面发射的射弹的类比。如果射弹以足够的速度发射，它将摆脱地球的引力并永远飞行。但是，如果速度太慢，重力会将其拉回地面。今天，同样的效应在宇宙中发挥着作用。如果宇宙中有足够的质量，作用在所有物质之间的引力最终会导致膨胀减慢、停止和逆转，宇宙会变得越来越小，直到最终坍缩。

这似乎不太可能。天文学家根据他们看到的发光物体估计了宇宙的质量，计算出的总质量远小于“关闭”宇宙所需的质量，即防止其永远膨胀。从其他测量中，他们知道宇宙中还有大量看不见的质量，称为暗物质。这种暗物质的数量尚不清楚，但大大超过了宇宙中所有恒星的数量。天文学家正在深入研究和辩论暗物质的性质。

1998 年，研究某组超新星的天文学家发现，较老的天体正在以与较年轻的天体大致相同的速度后退。根据封闭宇宙的理论，宇宙的膨胀应该随着年龄的增长而放缓，并且较老的超新星应该比年轻的超新星消退得更快。观察结果显示相反的事实使许多科学家相信宇宙实际上是开放的。其他理论家认为宇宙是平坦的——也就是说，它既不会永远坍缩也不会膨胀，而是会在两者之间保持引力平衡并保持惯性膨胀。在过去的几年里，各种观测表明——令天文学家惊讶的是——宇宙的膨胀实际上正在加速。如果这是真的，那么宇宙的命运将是无限膨胀。最终，所有能源会耗尽自己，在数万亿年后，即使是构成普通物质的质子和中子也会分解。如果这个愿景是正确的，宇宙最终将成为一个扩散的、永恒膨胀的亚原子粒子气体，温度均匀。

尽管大爆炸模型已经很好地解释了宇宙中所见，但仍有许多悬而未决的问题。关于哈勃常数的确切值仍然存在大约两倍的分歧。在哈勃太空望远镜正在类似于由哈勃为了尝试更精确地测量这个量的观测。初步结果已经公布，但要准确确定价值还需要一段时间。这些测量非常难以进行，因为它们处于望远镜观察能力的极限。

另一个悬而未决的问题是星系实际上是如何由早期宇宙中非常接近均匀、均质的介质形成的。从微波背景辐射的均匀性可知，这种均匀性优于千分之一。然而，仅通过观察天空，就可以看到宇宙中的大量结构，包括非常大尺度的星系团和更远的星系。一定有某种类型的结块发生在开始这个过程（重力帮助这个过程），但是是什么开始的呢？物理学家正在量子力学中寻找答案，这是一门关于极小事件的科学。答案就在那里，因为在大爆炸的那一刻，宇宙的大小是亚原子的。

大爆炸理论描述了大约 150 亿年前已知宇宙的起源以及物理和化学定律的发展。

在 1940 年代，出生于俄罗斯的美国宇宙学家和核物理学家George Gamow（1904 年至1968 年）基于俄罗斯物理学家亚历山大（Aleksandr Aleksandrovich）Friedmann（也拼写为 Fridman，1888 年至1925 年）提出的早期概念开发了现代版本的大爆炸模型）和比利时天体物理学家和宇宙学家阿贝é乔治勒马î TRE（1894 - 1966）。基于大爆炸的模型取代了宇宙的静态模型，这些模型描述了一个在所有方向上都相同的同质宇宙（当在大跨度空间上平均时）) 和任何时候。大爆炸和静态宇宙学模型相互竞争，以获得科学和哲学的青睐。尽管许多天体物理学家拒绝了稳态模型，因为它违反了质能守恒定律，但该模型有许多雄辩有力的捍卫者。此外，稳态模型被许多人解释为与许多以不变宇宙概念为中心的哲学、社会和宗教概念更兼容。类星体的发现和弥漫的宇宙背景辐射最终使​​宇宙学论点倾向于大爆炸理论模型。

在 20 世纪之前，天文学家只能假设宇宙一直没有改变地永远存在，或者它是由某个任意时间的神圣行动以目前的状态创造的。直到 1920 年代，宇宙演化的证据才开始积累。宇宙中所有物质都是由称为“大爆炸”的巨大爆炸产生的理论被宇宙学学生广泛接受。

德裔美国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879 – 1955) 于 1915 年发表的相对论为膨胀宇宙的概念发展奠定了基础。爱因斯坦设计了他的理论以适应具有恒定尺寸的静态宇宙。1919 年，荷兰天文学家威廉·德·西特( Willem de Sitter ) 证明爱因斯坦的理论也可以描述膨胀的宇宙。在数学上，德西特对爱因斯坦方程的解是合理的，但缺乏膨胀的观测证据，爱因斯坦持怀疑态度。

1929 年，美国天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃做出了本世纪最重要的天文发现。他观察到他所研究的星系的光谱发生了巨大的红移。这些红移表明星系正在以巨大的速度不断地分开。Vesto Melvin Slipher拍摄了许多相同星系的红移照片，也得出了类似的结论。

像德西特，勒马î TRE，谁哈勃望远镜于1924年制定，开发出一个简单的解决方案，在扩张中描述的宇宙爱因斯坦方程。哈勃的观测惊艳提供的证据勒马î TRE正在寻求他的理论。在1933年，勒马î TRE清楚地描述的宇宙的膨胀。投影回来的时候，他认为，宇宙起源了作为一个伟大的“宇宙蛋”，从一个中心点向外扩张。然而，他没有考虑是否真的发生了爆炸来引发这种扩张。乔治·伽莫夫1948年进一步研究了宇宙的起源。因为宇宙正在向外膨胀，他推断，应该可以在时间上倒推到它的开始。如果宇宙的所有质量在 10到150 亿年前都被压缩成一个小体积，那么它的密度和温度一定是惊人的。一次巨大的爆炸会导致膨胀的开始，留下背景辐射的“光环”，并形成比丰富的氢和氦更重的原子元素。物理学家 Ralph A. Alpher 和 Robert C. Herman 建立了一个模型来展示在这些条件下如何形成这种较重的粒子。

伽莫夫的理论暗示宇宙有一个特定的开始和结束。然而，包括Fred Hoyle、Thomas Gold和Hermann Bondi在内的许多其他科学家认为，膨胀理论不需要开始或结束。他们的模型被称为稳态理论，它表明物质在整个宇宙中不断地被创造。随着星系的漂移，物质会在留下的空隙中“凝聚”形成新的星系。近二十年来，相互竞争的理论的支持者似乎处于平等地位。

1965 年，罗伯特·H·迪克 (Robert H. Dicke) 对初始大爆炸爆炸后的冷却期进行了计算。他的结果表明伽莫夫的残余辐射应该是可以检测到的。在此期间，它会冷却到大约 5 K（绝对零以上五开尔文）。他不知道的是，无线电工程师Arno Penzias和Robert W. Wilson在 1964 年在寻找卫星通信干扰源时已经探测到了这种 3 K 的辐射。这是迄今为止收集到的最有说服力的证据来支持大爆炸理论，它使稳态理论走向衰落。

今天没有任何理论可以解释大爆炸时存在的极端条件。相对论不适用于像宇宙在大爆炸之前那样密集而小的物体。宇宙学家只能在爆炸后 0.01 秒内进行预测，当时宇宙是质子和中子的沸腾物质。（可能有许多奇异的粒子后来成为重要的暗物质。）根据他们的理论，宇宙学家认为在这段时间内产生了中微子。

有人认为，物理和化学定律——表现为基本的重力、强力、电磁力和弱力的特性（现在已知电磁力和弱力是更基本的电弱力的不同表现形式）。力）——形成于大爆炸的最初几分之一秒。质子和中子在爆炸后约 3 分 46 秒开始形成原子核，当时温度仅为 900,000,000 K。700,000 年后形成氢和氦。大爆炸大约 10 亿年后，恒星和星系开始从膨胀的质量中出现。在我们的太阳之前，无数恒星将从旋转的星云中凝聚、演化并死亡它的行星可能在银河系中形成。

大爆炸理论虽然解释了宇宙的大部分重要特征，但它仍然有弱点。其中最大的问题之一涉及宇宙的“同质性”。直到 1992 年，对大爆炸产生的背景辐射的测量表明，早期宇宙中的物质分布非常均匀。这似乎表明宇宙在大爆炸之后以恒定的速度演化。但如果是这样，我们看到的物质团块（如恒星、星系和星系团）就不应该存在。

为了弥补这种不一致，艾伦古斯提出了暴胀理论，该理论表明宇宙的膨胀最初发生得更快。这种加速膨胀的概念允许形成我们今天在宇宙中看到的结构。

1992 年 4 月，美国宇航局发布了一项激动人心的公告：它的宇宙背景探测器 (COBE) 向太空 150 亿光年（因此，过去 150 亿年）进行了观测，探测到宇宙背景辐射中的微小温度波动。人们相信这些涟漪是早期宇宙引力扰动的证据，这可能导致物质聚集在一起形成更大的实体。这一发现为古斯的通货膨胀理论提供了支持。

大爆炸是科学家用来描述宇宙创造的最重要的模型。该理论提出，宇宙是在大约 12 到 150 亿年前的剧烈事件中创造的。在那次事件中，形成了最轻的元素，它们为当今宇宙中存在的所有物质提供了基石。大爆炸的结果是我们生活在一个不断膨胀的宇宙中，无法根据我们目前掌握的信息预测其最终命运。

宇宙学家（研究宇宙起源的科学家）认为，宇宙起源于一个无限密集、炽热的火球。他们称这个包含宇宙中所有物质的单一点为奇点。时间就在这颗火球爆炸的那一刻开始，在快速膨胀的同时，拉伸着空间。（火球爆炸的空间并不是单独存在的，而是开始时是火球的一部分。）宇宙起初不超过质子的大小，在一微秒内膨胀到篮球大小。引力应运而生，亚原子粒子充斥整个宇宙，相互撞击，形成质子和中子（形成原子的基本粒子）。

大爆炸后三分钟，宇宙的温度已经冷却到 500,000,000 ° F（277,777,760 ° C）。质子和中子开始结合形成简单化学元素氢、氦和锂的原子核。五十万年后，原子形成。在宇宙膨胀之前又过了大约 3 亿年

并冷却到足以形成恒星和星系。我们的太阳系由一团尘埃和气体组成，仅仅在 450 亿年前就形成了。

大爆炸理论所依据的一个关键假设是宇宙正在膨胀。在 20 世纪之前，天文学家假设宇宙一直存在，没有任何变化。然而，在 1920 年代，美国天文学家埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) (1889 – 1953) 发现了可观测的证据，证明除了我们的银河系之外，宇宙中还存在其他星系。1929 年，他做出了他最重要的发现：宇宙中的所有物质都在远离所有其他物质。这证明了宇宙正在膨胀。

哈勃通过观察从遥远星系射向地球的光得出了这个结论。如果这些星系确实在远离地球并彼此远离，它们发出的光将被拉伸或具有更长的波长。由于波长较长的光具有微红色调，因此这种拉伸称为红移。哈勃测量了许多星系的红移，发现不仅星系在向各个方向远离地球，而且更远的星系似乎以更快的速度远离地球。

到 1960 年代中期，大爆炸理论已得到科学家的广泛接受。但是，该理论仍然存在一些问题。当大爆炸发生时，爆炸释放出的热辐射（波或粒子形式的能量）随着宇宙膨胀和冷却。这种辐射，被称为宇宙微波背景，表现为来自太空各个方向的无线电噪声微弱的嘶嘶声。从某种意义上说，它是宇宙中最古老的光。当天文学家测量这个宇宙微波背景时，他们发现它的温度略低于− 450 ° F ( − 270 ° C)。如果宇宙自大爆炸以来膨胀和冷却，这是正确的温度。

但辐射似乎很平稳，没有温度波动。如果辐射以稳定的速度冷却，那么宇宙将不得不以稳定的速度膨胀和冷却。如果这是真的，行星和星系将无法形成，因为引力会帮助它们聚集在一起，会导致温度读数的波动。

1980年，美国天文学家艾伦·古斯（Alan Guth）提出了大爆炸理论的补充思想。它被称为暴胀理论，它表明起初宇宙的膨胀速度比现在快得多。这种加速膨胀的概念允许我们今天在宇宙中看到的恒星和行星的形成。

Guth 的暴胀理论在 1992 年 4 月得到支持，当时 NASA（美国国家航空航天局）宣布其宇宙背景探测器 (COBE) 卫星发现了这些波动。COBE 观察了大约 130 亿光年的太空（因此是过去 130 亿年），并在宇宙微波背景中探测到微小的温度波动。科学家们将这些波动视为早期宇宙中存在引力扰动的证据，这使得物质聚集在一起形成了星系和行星等大型星体。

2000 年末，科学家们宣布他们分析了来自一个类星体的光，该类星体在数十亿年前被遥远的气体尘埃云吸收，为大爆炸理论的有效性提供了进一步的支持证据。那时，宇宙的年龄大约是现在的六分之一。根据他们的发现，科学家们估计当时的背景温度约为− 443 ° F ( − 264 ° C)，该温度标记与大爆炸理论的预测一致。

当今的天文学家将宇宙学中对宇宙微波背景的研究比作生物学中的 DNA（脱氧核糖核酸；存储和传输遗传信息的复杂分子）。他们认为它是恒星和星系生长的种子。为了扩大该研究的范围和精度，美国宇航局于 2001 年发射了一颗名为微波各向异性探测器 (MAP) 的卫星。 MAP 的轨道比 COBE 离地球更远，其目标是测量宇宙微波背景中的温差。更精细的规模。天文学家希望 MAP 收集的信息能够揭示关于宇宙的大量信息，包括其大尺度几何结构。