尽管科学已经揭示了宇宙从大爆炸至今的演化历程，但许多核心问题依然悬而未决。这些谜团涉及宇宙的起源、基本构成和最终命运，例如引发宇宙膨胀的原因、物质为何会多于反物质、暗物质与暗能量的神秘本质，以及生命在宇宙中的普遍性。这些未解之谜构成了现代宇宙学和物理学探索的前沿，持续驱动着人类对宇宙的认知探索。
1. 是什么触发了宇宙膨胀？
宇宙历史的开端被认为是一段称为“宇宙膨胀”的极速扩张时期。然而，在膨胀开始之前发生了什么，或者是什么触发了它，仍然是一个谜。
- 我们目前能够观测和理解的，仅仅是膨胀最后阶段（约
10^-32秒）之后发生的事情。 - 膨胀之前的状态，包括宇宙是否源于一个奇点，不仅是未知的，甚至可能是 根本无法获知 的。
科学描绘的图景是，膨胀先于并设定了大爆炸的初始条件。但对于膨胀本身从何而来，我们还没有答案。
2. 发生了哪种类型的宇宙膨胀？
科学家提出了多种宇宙膨胀模型，但我们不确定哪一种是正确的。要区分这些模型，需要更精确的观测数据。
- 不同的膨胀模型会对宇宙微波背景辐射的某些特征（如原始引力波）留下不同的印迹。
- 通过观测这些细微差别，比如一种被称为 B模偏振 的信号，科学家可以排除某些模型，并最终确定发生过的膨胀“风格”。
- 目前的观测已经排除了许多可能性，但决定性的证据尚未找到。
3. 物质是如何战胜反物质的？
根据物理学理论，宇宙早期应该产生了等量的物质和反物质。然而，我们今天所见的宇宙几乎完全由物质构成。反物质的消失和物质的留存被称为 重子生成 问题。
在大爆炸后极短的时间内，大量的物质-反物质对相互湮灭，只留下了极少量的物质盈余。这个盈余是如何产生的，是现代物理学最大的谜题之一。
4. 暗物质的本质是什么？
尽管我们无法直接看到暗物质，但它产生的引力效应在星系和星系团的运动中表现得非常明显。它是宇宙结构形成的关键，但其真实身份仍然未知。
- 压倒性的间接证据：星系碰撞的观测显示，大部分质量（蓝色区域）与发光的正常物质（粉色区域）是分离的，这证明了暗物质的存在。
- 直接探测的失败：尽管科学家们使用了极其灵敏的探测器（如 XENONnT 实验）来寻找暗物质粒子，但至今仍未有任何成功的发现。
5. 第一代恒星是何时出现的？
宇宙中的第一代恒星，被称为 星族III星，是由大爆炸产生的原始氢和氦气体形成的。它们应该不含任何更重的元素。
- 天文学家至今从未明确观测到这些 pristine（原始）的恒星。
- 我们能看到的最古老的恒星已经是富含“金属”（天文学上指比氦重的元素）的第二代或更晚期的恒星。
- 找到第一代恒星将为了解早期宇宙的化学演化和结构形成提供关键线索。
6. 我们在宇宙中是孤独的吗？
生命何时、何地以及如何出现？它在宇宙中是普遍现象还是地球独有的奇迹？对于这些问题，我们几乎一无所知。
- 科学家开发了“生命探测置信度（CoLD）”等级，以评估某个潜在生命迹象（如火星上的甲烷）的可信度。
- 目前所有发现的潜在 生命印记 都处于最低的可信度等级，这意味着它们很可能由非生命过程产生。
- 未来的哈勃世界天文台（HWO）等任务，旨在直接成像类地行星，以寻找生命存在的线索。
7. 地球上的生命是如何起源的？
我们对生物学和演化的理解已经非常深入，但生命从非生命物质中产生的过程，即 自然发生（abiogenesis），仍然是一个巨大的科学难题。
我们知道生命可以在没有阳光的深海热液喷口周围繁衍生息。这使得一些科学家推测，类似的环境可能是地球上第一个新陈代谢过程出现的地方。
8. 暗能量的性质是什么？
暗能量是导致宇宙加速膨胀的神秘力量。它构成了宇宙总能量的大约70%，但我们不清楚它究竟是什么。
- 最简单的解释是爱因斯坦提出的 宇宙学常数，即空间本身固有的一种能量。
- 然而，最新的观测数据（如来自DESI巡天的结果）暗示，暗能量的强度可能并非恒定不变，而是随时间演化的。
- 如果暗能量是变化的，这将对宇宙的过去和未来产生深远影响。
9. 宇宙的最终命运是什么？
宇宙的结局完全取决于暗能量的性质。不同的可能性导向截然不同的终局。
- 热寂：如果暗能量是恒定的（宇宙学常数），宇宙将永远膨胀下去，最终所有恒星熄灭，物质衰变，宇宙变得寒冷、黑暗和空虚。
- 大撕裂：如果暗能量的强度随时间增强，它最终可能会撕裂星系、恒星、行星，甚至原子本身。
- 大坍缩：如果暗能量的效应会减弱甚至逆转，引力将重新占据主导，导致宇宙停止膨胀并开始收缩，最终坍缩成一个奇点。