宇宙中不到三分之一的质量——约 31%——由物质构成。一项新计算证实了这一数字；天体物理学家长期以来一直认为，除了有形的物质之外，还有其他东西构成了我们现实的大部分。那么，物质到底是什么？
阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论的一个标志是质量和能量不可分割。所有质量都具有内在能量；这就是爱因斯坦著名的 E=mc² 方程的意义所在。当宇宙学家测量宇宙的质量时，他们是在同时测量质量和能量。而其中 31% 的总量就是物质，无论它是可见的还是不可见的。
这种区别是关键：并非所有物质都相同。事实上，只有很小一部分构成了我们能看到或触摸到的物体。宇宙中充斥着更奇特的物质形式。
什么是物质？
当我们想到“物质”时，我们可能会想到我们看到的物体或它们的基石：原子。
我们对原子的概念已经发展多年。纵观历史，思想家们模糊地认为存在可以被划分为基本组成部分。但与现代原子概念相似的东西通常归功于英国化学家约翰·道尔顿。1808 年，他提出物质由不可分割的粒子组成。不同的基本物质——元素——是由具有不同大小、质量和性质的原子构成的。
道尔顿的方案中有 20 种元素。这些元素的组合创造了更复杂的化学化合物。当化学家德米特里·门捷列夫在 1869 年构建了一个初步的元素周期表时，他列出了 63 种元素。如今，我们已经编目了 118 种元素。
但如果只是这么简单就好了。自 20 世纪初以来，物理学家们就知道原子内部潜藏着更小的构件：带有负电荷的电子和被包裹的原子核，由带有正电荷的质子和中性中子组成。我们现在也知道，每种元素对应着具有特定数量质子的原子。
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而且仍然没那么简单。到本世纪中叶，物理学家们意识到质子和中子实际上是由更小的粒子组成的，称为夸克。确切地说，质子和中子都包含三个夸克：物理学家称之为重子的配置类型。因此，质子、中子以及它们形成的物质——我们日常生活中的物质——通常被称为“重子物质”。
天空中奇异的物质
在我们日常世界中，重子物质通常以四种状态存在：固态、液态、气态和等离子态。
同样，物质并非如此简单。在极端条件下，它可以呈现出多种更奇特的形态。在足够高的压力下，物质可以变成超临界流体，同时具有液体和气体的性质。在足够低的温度下，多个原子会聚集在一起，形成玻色-爱因斯坦凝聚体。这些原子作为一个整体表现，以各种奇怪的量子方式运作。
这些奇异状态并非仅限于实验室。看看中子星：当它们超新星爆发时，它们的“死核”质量不足以坍缩成黑洞。相反，当它们的核心被挤压时，强大的力量会撕裂它们的原子核并将碎片挤压在一起。其结果基本上是一个巨大的中子球——质子吸收电子并转化为中子——它非常、非常密集。一勺中子星物质的重量将达到十亿吨。
仅在银河系中，可能就有数亿颗中子星。一些科学家认为，在中子星的深处，压力和温度足以撕裂中子。这些中子可能会分解构成它们夸克。
物理学家研究中子星以了解这些天体——以及宇宙起源的奥秘。我们周围的物质并非一直存在；它形成于大爆炸之后。在原子形成之前，质子和中子独自在宇宙中游荡。更早的时候，在质子和中子存在之前，一切都是一种过热的夸克浆。
科学家们可以在粒子加速器中以某种方式重现那种状态。但这种状态只持续一瞬间就消失了。与寿命极长的中子星相比，这根本不值一提。圣地亚哥州立大学的物理学家弗里多林·韦伯说：“你有一个基本上永远存在的实验室。”
宇宙宏图中的物质
在过去的几十年里，天文学家们开发了几种方法来理解宇宙的基本参数。他们可以检查宇宙的大尺度结构，并识别他们能看到的物质密度细微波动。他们可以观察物体的引力如何弯曲经过的光线。
一种测量物质密度——可见和不可见物质占宇宙比例——的特定方法是分析大爆炸的宇宙微波背景。从 2009 年到 2013 年，欧洲航天局的普朗克天文台探测了宇宙微波背景的余辉，为科学家提供了迄今为止最精确的物质密度计算结果：31%。
最近的研究使用了一种名为“质量-丰度关系”的不同技术，本质上是检查星系团，计算每个星系团中有多少星系，利用这些数据计算每个星系的质量，然后反推出物质密度。这项技术并非新颖，但直到现在它还只是粗糙的、未经提炼的。
加州大学河滨分校的天体物理学家、9 月 13 日发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文的作者之一吉莉安·威尔逊说：“据我所知，这是第一次使用质量-丰度关系来获得与普朗克数据非常吻合的结果。”
但是请记住，并非如此简单。只有一小部分——据估计约占物质的 15%，或占宇宙的 3%——是可见的。大多数科学家认为，其余的是暗物质。我们可以探测到暗物质在引力中留下的涟漪。但我们无法直接观察到它。
因此，我们不确定暗物质是什么。一些科学家认为它是重子物质，只是我们无法轻易看到的形式：例如，它可能是宇宙早期形成的黑洞。其他人认为它是由几乎不与我们熟悉的物质相互作用的粒子组成的。一些科学家认为它是这些的混合物。至少有一些科学家认为暗物质根本不存在。
如果它确实存在，我们可能会用新一代望远镜来观察它，例如eROSITA、鲁宾天文台、南希·格蕾丝·罗马空间望远镜和欧几里得，这些望远镜可以扫描更广阔的宇宙区域，并在宇宙历史的不同时期看到更多种类的星系。加州大学河滨分校的天体物理学家、论文的另一位作者穆罕默德·哈沙什说：“这些新的观测可能会改变我们对整个宇宙[及其物质]的理解。”“这是我个人的期望。”
