一、暗物质：通过“引力指纹”被捕捉的“隐形框架”

暗物质是宇宙中最神秘的“隐形居民”——它不发光、不吸收光，也不与电磁波发生任何相互作用，却通过引力效应在宇宙尺度上留下了清晰的“指纹”。其存在的证据链覆盖从单个星系到星系团的多层级观测，形成了多维度的印证体系。

1. 星系旋转曲线：牛顿力学的“意外偏差”

根据牛顿引力理论，星系中恒星的公转速度应随离星系中心距离的增大而降低（类似太阳系行星：水星速度快、冥王星速度慢）。但20世纪70年代，天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）通过观测仙女座星系等旋涡星系的旋转速度发现：星系外围恒星的公转速度几乎恒定，未随距离增加而下降。这意味着，若仅靠可见物质（恒星、气体）的引力，无法维持恒星的高速运动——星系中必须存在大量不可见的额外质量（暗物质），其引力像“隐形框架”一样包裹星系，为外围恒星提供“额外拉力”，防止它们被甩飞。

2. 引力透镜：时空弯曲的“质量测绘仪”

大质量天体会弯曲周围时空，使背景光源（如遥远星系）的光线发生偏折，形成“引力透镜”效应。通过分析透镜畸变的程度，可反推透镜天体的总质量分布。

- 强引力透镜：当透镜天体质量极大（如星系团）时，背景星系会被扭曲成明显的“引力弧”或“多重像”，可直接绘制质量分布图。

- 弱引力透镜：对于普通星系，透镜效应更微弱（仅导致背景星系形状的统计性畸变），但通过大规模巡天（如欧几里得卫星）的统计分析，可精确测量暗物质的分布。观测表明，星系团的总质量（暗物质+可见物质）远大于可见物质的质量（约占85%），差值即为暗物质的贡献。

3. 子弹星系团：空间分辨的“直接证据”

2006年，天文学家观测到两个星系团碰撞后的产物——“子弹星系团”（Bullet Cluster）。这是目前最直观的空间分辨证据：

- X射线观测：显示高温气体（普通物质）因电磁相互作用（摩擦）被减速，集中在碰撞中心。

- 引力透镜观测：显示总质量分布与气体分离，集中在碰撞两侧。这一现象只能用“暗物质不参与电磁相互作用”解释——碰撞中，暗物质仅受引力主导，与普通物质“分道扬镳”。它首次在空间尺度上区分了暗物质与普通物质，成为暗物质存在的“视觉铁证”。

二、暗能量：驱动宇宙加速膨胀的“斥力之源”

暗能量的核心特征是产生斥力，导致宇宙膨胀从减速（早期）转为加速（约60亿年前至今）。其存在通过多类观测跨越时空，构建了从近期宇宙到早期宇宙的验证链条。

1. Ia型超新星：“标准烛光”揭示的膨胀异常

Ia型超新星是白矮星吸积物质至临界质量（钱德拉塞卡极限）后爆发的“宇宙标准烛光”（峰值亮度高度一致）。通过观测其表观亮度（可推算距离）与红移（反映膨胀程度）的关系，可反推不同历史时期的宇宙膨胀速率。

1998年，两个独立团队（高红移超新星搜索队、超新星宇宙学项目）的关键发现在于：遥远Ia型超新星的亮度比“匀速膨胀宇宙”模型预测的低约20%（对应距离误差达数十亿光年）。这意味着，这些超新星的实际距离比预期更远——唯一解释是：宇宙在约60亿年前开始加速膨胀，而推动加速的“斥力”即为暗能量。

2. 宇宙微波背景（CMB）：“婴儿宇宙”的几何密码

CMB是大爆炸后约38万年的“余温”，其微小温度涨落（约十万分之一）记录了早期宇宙的密度扰动。普朗克卫星对CMB的精确测量揭示了以下关键关联：

- 空间曲率：温度涨落的“首峰”角度（约1度）直接反映宇宙的空间曲率。若宇宙闭合（正曲率），首峰会提前；若开放（负曲率），首峰会延后。观测表明，首峰位置与“平坦宇宙”（曲率为0）高度吻合。

- 密度参数：平坦宇宙的总质能密度需等于临界密度（_total=1）。但普通物质（_b≈4.9%）+暗物质（_cdm≈26.8%）仅占31.7%，剩余68.3%必须由不参与结构形成的均匀能量（暗能量）填补。

3. 重子声波振荡（BAO）：“标准尺”刻画的膨胀历史

早期宇宙中，光子与重子物质（质子、中子）耦合形成“声波”，在大爆炸后约38万年（复合时期，光子脱耦）冻结，留下约150兆秒差距（约4.9亿光年）的特征尺度（“标准尺”），类似“拨动琴弦产生的驻波”。通过观测不同红移（不同宇宙时期）下星系分布中这一“标准尺”的角直径，可直接测量宇宙膨胀速率的历史变化。BAO与超新星、CMB数据结合，进一步约束了暗能量的性质（如是否随时间变化），确认其为“宇宙学常数”的最佳拟合形式。

三、宇宙组分占比：多信使模型的共识

当前宇宙的能量组分比例（基于CDM模型）通过多源数据联合拟合确定，最新结果（普朗克卫星2018年数据）如下：

四、科学探索的时间轴与未来方向

暗物质与暗能量的研究史，是一部“从现象到理论”的探索史诗：

- 1933年：兹威基（Fritz Zwicky）观测后发座星系团，首次提出“缺失质量”问题。

- 1970s：鲁宾（Vera Rubin）通过星系旋转曲线，证实暗物质普遍存在。

- 1998年：超新星观测发现宇宙加速膨胀，暗能量被提出。

- 2006年：子弹星系团观测，首次空间分辨区分暗物质与普通物质。

- 2018年：普朗克卫星发布CMB最终数据，锁定暗能量占比约68%。

未来，下一代观测设备（如南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜、欧几里得卫星、中国空间站巡天望远镜）将通过更精确的成像与光谱数据，进一步检验暗物质粒子性质（如是否为WIMPs/轴子）与暗能量状态方程（如是否为动态场）。这些探索将揭开宇宙“隐形主导者”的神秘面纱。

总结

暗物质是宇宙的“隐形框架”，通过引力效应被捕捉；暗能量是宇宙的“加速引擎”，通过膨胀历史被揭示。两者共占宇宙95%以上质能，而我们熟悉的普通物质仅占5%。尽管它们的本质仍未明确，但CDM模型已能自洽解释现有主流观测，成为人类理解宇宙的“标准地图”。未来的探索，将进一步拓展这张地图的边界。

（注：文中关键结论基于普朗克卫星2018年数据及多信使观测交叉验证，模型以CDM为主线。）