眾所周知，20世紀20年代的兩項突破性發現象徵著現代宇宙學的誕生，這兩項發現分別來自理論和觀測。首先是1922年，蘇聯宇宙學家亞歷山大·弗裡德曼根據各向同性的“宇宙學原理”，在廣義相對論框架內推演出了一組描述“膨脹宇宙”的動力學方程，即大名鼎鼎的弗裡德曼方程組;其次是1929年，美國天文學家埃德溫·哈勃發現遙遠星系的紅移與距離成正比的現象。後來，這一經驗規律被命名為“哈勃定律”。哈勃定律表明我們的宇宙的確處於一種均勻膨脹的狀態，該狀態符合弗裡德曼方程組的預言。直到今天，弗裡德曼方程組描述的膨脹宇宙仍然被尊為現代宇宙學的“標準模型”，後來的暴脹模型、ΛCDM模型等，都是對它的補充和修正。
在標準模型的框架內，宇宙有三種演化命運，這可由一個曲率參數k來區分。k有三種可能的取值：0，1和-1，分別對應零曲率宇宙、正曲率宇宙和負曲率宇宙。根據廣義相對論，空間的曲率與物質分佈相關，因此，這三種宇宙又分別對應了零能宇宙、正能宇宙和負能宇宙。其中，零曲率宇宙和負曲率宇宙屬於無限無界的“開放宇宙”;正曲率宇宙屬於有限無界的“閉合宇宙”。關於如何想象一個有限無界的閉合宇宙，一個經典的類比是地球表面。我們常說空間是三維的，這似乎是個常識。但實際上我們只能在前後、左右兩個維度自由運動，上下方向的運動因重力關係，顯得格外困難。所以，從外太空的角度看，我們很像是一種匍匐在地球表面、薄薄一層的二維生物。1517年，葡萄牙航海家麥哲倫率領自己的船隊從西班牙的塞維利亞港出發，一路向西，最後從東方回到西班牙，完成了人類歷史上的首次環球航行。這證明地球表面是無界的(麥哲倫船隊顯然沒有在大海深處遇到如早期水手傳言的所謂“虛無之淵”)，與此同時地球的表面積是有限的。類比到一個正曲率的宇宙，假如我們能以足夠快的速度朝任一方向飛行，我們總會從反方向回來，就像麥哲倫的環球航行那樣。這聽起來不可思議，有悖常理，但那是因為我們之中從沒人見過“彎曲空間” 是什麼樣子。
那麼，真實宇宙的曲率參數k是多少呢?對此，弗裡德曼方程組不能給出答案，天文學家只好從實際的觀測數據中推算。根據普朗克衛星最新的觀測結果，可見宇宙的曲率參數k在儀器測量誤差範圍內所得的結果近似為零。這說明真實宇宙是平直的、簡單的，沒有出現整體性的所謂“空間彎曲”。這同時也意味著我們的宇宙很可能是開放的、無限的，不能完成如上述麥哲倫那般的“環宇航行”。
上面曾提到，宇宙空間的曲率與物質分佈有關，這是廣義相對論的基本思想。零曲率宇宙對應的物質密度更特殊些，被稱為“臨界物質密度”，它可以用兩個基本的物理常數——哈勃常數和萬有引力常數——非常簡潔地表達出來。根據普朗克衛星的觀測數據算出的今日宇宙的臨界物質密度，差不多相當於每立方米分佈有5枚質子。也就是說， 假如宇宙的平均物質密度少於每立方米5枚質子，曲率參數k 就是-1，宇宙將一直膨脹下去，直到所謂的“大撕裂”;假如宇宙平均物質密度高於每立方米5枚質子，曲率參數k 就是1，終有一天，宇宙會在萬有引力的作用下坍縮回奇點，一切歸於虛無。既然天文學家已經知道了可見宇宙是平直的，也就相當於間接知曉了今日宇宙的物質密度(近似等於臨界物質密度)。這其中不僅包含了可見的恆星、星雲、星系，還有不可見的行星、黑洞、白矮星、中子星、暗星雲、暗物質、暗能量，甚至包含了瀰漫全宇宙的3K背景輻射、星光等等。乍看起來，今日宇宙的物質密度似乎相當“稀薄”，畢竟，將5枚質子放在1立方米的空間裡，直觀上看，跟理想的真空也差不多。然而，真實的宇宙就是如此空曠，5枚質子看似微不足道，但考慮到廣袤的宇宙空間，所得出的物質總量還是相當可觀的。
星系，恆星，以及你所能看到的一切——1%
哈勃極深空場的拍攝集結了先前10年哈勃空間望遠鏡的影像，累計曝光時間23天。影像中最暗星系的光度只有肉眼可分辨光度下限的百億分之一。基於類似的深空影像，天文學家可以做各種各樣的統計工作。所謂的統計，通俗一點說就是數數，數影像裡不同亮度的星系有多少，這樣就可以畫出一條星系數目隨亮度的變化曲線。一般而言，越亮的星系，數目肯定越少，越暗的星系，數目肯定越多。但是，我們的望遠鏡不是萬能的，星系暗到一定程度就難以分辨了。因此，上面提到的計數曲線在暗星系一端是不準確的，需要做一些統計修正。類似的流程對天文學家而言早已駕輕就熟，相關的數學理論也是比較完善的。
得到這樣一條星系亮度的計數曲線後，天文學家就可以利用所謂的“質—光關係”，將它轉換成質量的計數曲線，進而算出影像中所有發光物質的總量，以及它們的密度。在過去幾十年裡，在計算機的幫助下，天文學家統計了數不清的深空影像，得出了不同天區、不同星系團的發光物質密度。統計結果表明，宇宙中所有發光物質的密度只佔上述臨界物質密度的1%。也就是說，哈勃空間望遠鏡所見的全部燦爛宇宙(比如哈勃極深空場)，包括你我熟知的大千世界，僅僅是真實宇宙中微不足道的一隅。宇宙中99%的物質，都以我們並不熟知的形式存在著。
來無影去無蹤的暗物質——26.8%
現在看來，暗物質的存在已是毋庸置疑了。相關的觀測證據也是不勝枚舉，比較重要的包括：星系平坦的轉動曲線、星系團中遠超其發光物質總量的動力學質量、由大量不可見物質引起的引力透鏡效應、星系和第一代恆星在早期宇宙的快速形成，等等。如果沒有暗物質這項假設，以上的觀測現象將很難有個統一的理論解釋。
另外，暗物質這個名字本身確實容易讓外行人誤會，以為不發光的物質都是暗物質。實際上，天文學家所說的暗物質是有明確指向的、性質未知的一類神秘物質。說它神秘，是因為當今粒子物理學所知的任何一種粒子，都不具有暗物質粒子的特性。這些特性包括：只參與引力相互作用和弱相互作用，不參與任何電磁相互作用;巨大的粒子質量;低得驚人的散射截面等等。這使得暗物質可以像影子一樣穿過由普通物質組成的巨大的星系團。
起初，天文學家也曾認為暗物質是一些不具備發光條件的、流浪在宇宙深處的暗天體，比如沒有吸積盤的黑洞及能量耗盡的黑矮星、褐矮星或中子星等等。但是，當今的主流觀點認為，它們並非暗物質的主要組成部分。首先，無論是沒有吸積盤的黑洞，還是不發光的緻密矮星，當它們途經觀察者的視線方向時，都會改變背景上的星光，產生所謂的“微引力透鏡效應”。基於此，從20世紀70年代起，英國天文學家阿爾科克與波蘭天文學家帕金斯基組成了兩個獨立的研究小組，採用微引力透鏡的方法搜索流浪在銀河系附近的緻密暗天體。兩個項目確實記錄到了許多起星光閃爍事件，但只有極少數符合理論給出的光變曲線，餘下的都是恆星的內稟閃爍，也就是變星。據此算出的緻密暗天體的質量遠低於銀河系暗物質的總量。換句話說，流浪的矮星或黑洞等天體在暗物質中的比例微乎其微。
還有一項宇宙學觀測證據也從另一個角度證明了為什麼暗物質粒子不會是普通物質。我們知道，宇宙中丰度最高的兩大元素是氫和氦，它們的質量比約為3∶1，也就是氫核(即遊離質子)的質量佔75%，氦核佔25%。其他元素的丰度與之相比差兩三個數量級，是可忽略的小量。這個比例在不同的宇宙區域、不同的星系團中略有差異，但總體偏離不大。這可以用所謂的“原初核合成理論”來解釋。自大爆炸後，宇宙的溫度隨著空間膨脹逐漸冷卻下來，宇宙的物質經歷了一系列的退耦過程。所謂退耦，是退出耦合的意思，指的是先前幾種混在一起、不分彼此的物質，在之後的某個時刻突然分道揚鑣，各自演化成了性質截然不同的物質。比如在大爆炸後零點幾秒的時候，宇宙的溫度極高，那時的質子和中子就是耦合在一起，不分彼此的。它們統稱為核子。大爆炸後約1秒，質子與中子發生了退耦，穩定的質子不再變成中子。而遊離的中子是不穩定的，會發生β衰變，變成質子、電子和中微子。因此，中子的數目會以10分鐘減少1/2的速度衰減下去。與此同時，宇宙的溫度也在逐漸降低中，等到宇宙年齡為3分鐘的時候，殘餘的中子與質子的數目之比為1∶7，也就是16個核子中有2枚中子。此時，質子開始與剩餘的中子發生原初核合成。整個合成過程持續約1 7分鐘，將剩餘的中子全部封存在原子核裡。根據上面的核子數之比，不難看出，此時氫核與氦核的質量比就是3∶1，與天文觀測一致。除了氫與氦的丰度外，原初核合成理論還預言了一些較重的核素在宇宙空間的丰度，比如氫的同位素氘，鋰的同位素鋰-6、鋰-7等等。假如天文學家發現的暗物質都是由質子和中子組成的普通物質，那麼，原初核合成的核子原料必然要多出許多，從而允許更多更重的同位素生成。換句話說，通過測定今日宇宙空間中某些較重同位素的丰度值，我們可以反過來限定宇宙中普通物質的密度範圍。據此得出的理論結果，為臨界物質密度的4%至5%，與用其他方法所得的結果基本一致。
一大半都失蹤不見的重子物質——3.7%
等等，原初核合成的理論計算居然預言普通物質會佔到宇宙平均物質密度的4.7%?可是讀者應該還記得，天文學家只在星系團的照片裡數出了約1%的可見物質，餘下的3.7%都在哪裡?一個自然的想法是，有相當一部分重子物質是不發光的氣體和塵埃，換句話說，就是以暗星雲的形式存在。如此說來，天文學家應當可以在紅外波段或者射電波段尋到蛛絲馬跡。天文學家為此做了大量的觀測工作，卻發現未形成恆星的氣體在星系中所佔的比例並不算高，滿打滿算下來，星系中全部的恆星和氣體質量也只有臨界物質密度的2%至3%，同預期的目標差距明顯。直到今天，這都是現代天文學中的一項未解之謎：重子物質失蹤之謎。
關於失蹤重子物質的去向，目前主流的看法是，有相當一部分重子物質沒有被鎖入星系中，而是遊離於星系際空間，甚至是星系團之間。難道自宇宙形成138億年以來，還有重子物質沒來得及掉進星系的引力範圍嗎?這樣的解釋根本說不通，因為由暗物質主導的引力勢足夠強，重子物質全部落入星系或星系團的引力範圍所需的時間比宇宙壽命短得多。除非有一股強大的斥力又將一部分重子物質吹了出去，否則很難解釋今日宇宙的重子物質分佈。有人認為將重子吹出星系的動力來源是早期的活動星系核(AGN)，也有人認為是失控的星暴星系中頻繁爆發的超新星事件(SN)。無論哪種機制，重子物質在被驅散的過程中都會被加熱，發出強烈的X射線，或者影響到宇宙微波背景輻射的圖樣。但是，觀測方面一直沒有給出積極的證據，證明失蹤的重子物質的確散佈於廣袤的星系際空間之中。目前，這方面的研究依然是天文界的熱門話題。
更大的未知：暗能量——68.5%
細數完黑洞、恆星、氣體、暗物質等零零碎碎的物質組分，我們終於進入了真正主宰宇宙未來命運的王者之域：暗能量。它佔到了今日宇宙平均物質密度的68.5%。為什麼要加“今日宇宙”這個限定詞呢?因為在宇宙早期，暗能量還只是一項次要因素，直到幾十億年前，它在宇宙各物質組分中才變得重要起來。何以如此呢?我們知道，受能量守恆定律的制約，當宇宙空間發生膨脹的時候，無論電磁輻射還是重子物質，它們的平均密度都在不斷下降。其中，電磁輻射的密度下降最快，與宇宙年齡的四次方成反比;暗物質與重子物質次之，與宇宙年齡的三次方成反比。因此，從大爆炸到宇宙年齡約70萬年的時候，輻射都是起主導作用的。從宇宙年齡70萬年開始，便是物質起主導作用。可是，令人感到費解的是，暗能量的平均密度並不隨宇宙的膨脹發生變化，它始終是個常數!這也就是愛因斯坦場方程中“宇宙常數項Λ”的由來。可以想見，隨著宇宙空間的膨脹，暗能量在宇宙總物質中的比例越來越高，直到幾十億年前，它終於超越了暗物質組分，開始對宇宙的膨脹過程起主導作用。此即20世紀末天文學家發現的所謂“宇宙加速膨脹” 現象。
從目前的觀測看，暗能量的性質與愛因斯坦場方程中加入“宇宙常數項Λ”的表現是高度吻合的。將來還會有專門的空間望遠鏡升空，去詳細驗證二者的匹配程度。但是，宇宙常數項背後蘊含的物理圖像至今仍不清楚。有物理學家猜測，也許將來構想中的“量子引力論”可以告訴我們支配宇宙未來命運的Λ項究竟代表了什麼，但就目前而言，我們對它真的是一無所知。
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