A. 帶你看哈勃望遠鏡眼中的深空宇宙，每一張照片都如此美麗
星系，是一個由眾多恆星組成的巨大天體系統，在早期，人類礙於觀測技術的原因，認為宇宙中只有銀河系一個星系存在。然而隨著天文學的發展以及望遠鏡的出現，人們開始認識到銀河系並非是宇宙的整個結構，在銀河系之外還存在著其他星系。
最早提出這種設想的是康德與賴特，當時人們已經發現，在黑暗的夜空中除了擁有發光的恆星之外還有一些雲霧形狀的天體，他們認為這些天體可能是由大量恆星組成，由此提出了宇宙島假說
不過由於起初沒有任何證據的支持，從而宇宙島假說不被人信服，。直到後來著名天文學家埃德溫-哈勃通過胡克望遠鏡的發現，才最終確認銀河系之外還存在其他無數星系
如今，天文學家估計，在整個已知的宇宙中星系總量最少擁有兩千億乃至上萬億個左右，而這也都歸功於先進的哈勃望遠鏡，沒錯，就是以埃德溫哈勃命名的空間望遠鏡。
目前人類擁有的星系照片基本都是由哈勃望遠鏡拍攝，今天就帶大家去看看那些哈勃望遠鏡眼中的美麗深空星系圖片。
作為最經典的星系照片之一，便是距離我們最近的大星系，仙女座星系。
仙女座星系距離地球大約為254萬光年，它比我們銀河系要大得多，直徑達到了22萬光年，這是哈勃望遠鏡拍攝的15億像素照片，其內密密麻麻的亮光都是一顆顆恆星，科學家估算這些恆星的數量最少擁有將近一萬億顆。
這是渦狀星系，編號為M51，渦狀星系位於北天的獵犬座，距離地球大約2300萬光年，直徑為6萬光年，在他的旁邊還有一個較小的伴星系，目前在引力的作用下正發生融合現象。
這是著名的NGC 4594星系，由於形狀似一頂墨西哥人帶的草帽，因而又被稱為草帽星系。草帽星系位於室女座，距離地球大約2930萬光年。它的獨特之處在於擁有著壯觀的塵埃環，如果進入到它的內部，我們會發現這里孕育了大量的年輕亮星，而在它的中心位置是一個密集的球狀星團。
這是老鼠星系，位於後發座，距離地球約為2.9億光年。老鼠星系是由兩個螺旋星系組成的星系，他們彼此之間正發生碰撞合並，引力使他們不斷地互相穿插融合，從而形成了兩條很長的尾帶，在時間的推移下最終會形成一個更大的新星系。
這是位於大熊座的風車星系，最早由法國天文學家皮埃爾-梅香發現，風車星系距離地球約2100萬光年之遙，直徑為17萬光年，他與我們銀河系非常相似，其內也擁有著多條螺旋臂。
這是位於仙女座的阿普273，也是一個正在發生碰撞融合的星系，距離地球為3億光年。阿普273星系極為美麗，兩個星系之間相距數萬光年，他們在碰撞中形成了一朵如綻放的玫瑰，因此也被評為最美的星系之一。
這是NGC 3256星系，位於船帆座，距離地球約為1億光年。NGC 3256已經是兩個星系融合後的大星系，其內的恆星極為燦爛，由於在融合過程中星雲不斷發生碰撞，從而導致大批新的恆星誕生。
這是蝌蚪星系，位於天龍座，它的直徑長達28萬光年，距離地球有4億光年，蝌蚪星系的最獨特之處是有著一條細長的尾巴，形象似蝌蚪一般，科學家猜測這可能一個緻密的星系入侵所造成的。
這是車輪星系，也是一個經過碰撞融合後的新星系，直徑為十五萬光年。我們可以看出他的樣貌與車輪極其相似，因而被稱為車輪星系。他位於玉夫座，距離我們有五億光年，
這是哈氏天體，一個著名的環星系，直徑為10萬光年，由於奇特的樣貌而被人熟知，在他的的外圍環狀是藍色恆星，中間則是年老的紅色恆星組成，距離地球約6億光年。
其實在我們宇宙中還有許許多多的美麗星系，而這也只是哈勃望遠鏡眼中的微小部分，這不由得讓我們感嘆宇宙是如此的浩瀚。
B. 站在宇宙上空觀看宇宙，宇宙到底長什麼樣子
每當夜幕降臨，抬頭仰望天空，我們總是能看見一閃一閃的星星。在過去，人們的生活中並沒有出現那麼多現代化的照明。在每個漆黑的夜晚，人們都是依靠著月亮和星星的光亮來看路。你是否曾思考過一個問題：星星到底是什麼？
所以說，在不同位置觀察同一個物體，看到的結果都是不同的。當你站在火星上的時候觀望地球時，地球對於你來說很可能就是天空中那顆閃閃發亮的「星星」。但當你站在其他星球觀察地球時，結果可能就不一定是如此了。
C. 10張圖帶你看人類家園——在太空遙望，遇見遠方藍色星球的模樣
美國宇航局的月球軌道器1號在1966年從緊鄰月亮的角度拍下了地球的第一張照片。42年後，NASA公開了這張解析度更高的版本，它是由原始資料庫中找到的相似圖片重製而成的。圖源：美國宇航局/ 月球軌道器圖像恢復項目（LOIRP）
本文最初由美國宇航局 科學 在線發表；作者是菲爾·戴維斯（Phil Davis）
「我突然意識到那個美麗的藍色小豌豆就是地球。我舉起我的拇指，閉上一隻眼睛，此時我的拇指就覆蓋住了一顆行星——地球。但我並不感覺自己是個巨人，而是感到非常，非常 渺小 。」
——阿波羅11號，尼爾·阿姆斯特朗。
圖源：美國宇航局/噴氣推進實驗室
圖源：美國宇航局/噴氣推進實驗室
1.旅行者一號:在720萬英里和40億英里處
旅行者一號在遠方捕捉到了這兩張著名而獨特的地球照片。第一張是在 1977 年，旅行者一號距地球 730萬英里(1170萬公里) 時拍攝的。這是 歷史 性地第一次在一幅畫面中 同時展示 了完整的地球和月球。
第二張是在 1990 年，距離地球 40億英里(64億公里) 時拍攝的，是太陽系全家福中的一部分。它展現了地球只是 一縷陽光中微小的藍點 。這就是那張因卡爾·薩根名垂千古的" 暗淡藍點 "（Pale Blue Dot）。薩根去世後，他的妻子安·德魯伊安這樣評價道這張照片:
「我們心甘情願地承認地球確實是浩瀚宇宙中十分渺小的一員。這份謙遜是科學賜予我們的，促使我們丟棄那像孩童般以自我為中心的心理。旅行者號展示的那張地球照片深深觸動我們的心靈，因為你無法看著那張照片，卻不去思考我們的世界到底有多麼，多麼脆弱；思考共享這一切的人們到底有多少共同之處；思考在這微小星球之上的每一個人之間的聯系。」
開普勒（Kepler）視角下的地球，拍攝於2017年12月10日。圖源：美國宇航局/艾姆斯研究中心
2.開普勒：昏暗星海中的光明
美國宇航局的開普勒太空望遠鏡在飛行了 9400萬英里（1.51億公里） 後，拍攝了一張地球圖像。圖像中的反射光非常明亮，以至於在儀器的感測器上出現了一道像劍一樣的飽和光帶，遮蓋了鄰近的月球。
右圖，卡西尼號於2013年捕捉到的圖像。左圖，卡西尼號於2017年捕捉的 土星環 之間的圖像。 圖源：美國宇航局
3.卡西尼號：你好呀，再見啦
在這張美麗的快照上，土星環下有一個圓點，那就是地球。這張照片拍攝於 2013 年，卡西尼號土星探測器將相機對准了我們的家鄉，當時成千上萬的人們正從地球揮手致意。後來，在 2017 年卡西尼號光榮退役前，圍繞土星運行最後一圈時，在土星環之間捕捉到了這張 與地球的最後告別 。
美國宇航局月球勘測軌道飛行器（LRO）於2015年10月12日在月球軌道有利位置捕捉到了一張視角獨特的地球照片。圖源：美國宇航局/戈達德航天中心/亞利桑那州立大學
4、月球勘測軌道飛行器：「簡直令人驚嘆」
「這是張美的令人驚嘆的照片！讓人想起了阿波羅17號航天員哈里森·施密特（Harrison Schmitt）著名的「 藍色彈珠 」（Blue Marble），那張照片也突顯了非洲地區。」
——美國宇航局「月球勘測軌道飛行器」任務的項目代理科學家諾亞·佩特羅（Noah Petro）說。
作為工程測試環節的一部分，美國宇航局的奧西里斯號小行星探測器捕捉到了這張地球和月球的圖片。圖源：美國宇航局
5.OSIRIS-REx:再見了——從現在起——時速1.9萬英里
作為工程測試環節的一部分， 2018年1月 ，距離地球 3950萬英里(6360萬公里) 的地方，美國宇航局的 奧西里斯號 小行星探測器捕捉到了這張地球和月球的圖片。攝像機拍攝這張照片之際，探測器正以每小時 1.9萬英里(每秒8.5公里) 速度遠離我們的星球。地球是圖片中心部分最大最亮的。而較小較暗的月球出現在右側。四周的空間里還能看到幾個 星座 。
由美國宇航局 好奇號 漫遊車拍攝的火星黃昏的天空和地平線，可以看到地球是火星夜空中最亮的一顆星。
圖源：美國宇航局/噴氣推進實驗室/MSSS/德克薩斯A&M大學
6、好奇號：從火星上看
一個視力正常的人類觀察者，站在火星上，可以輕松看到地球和月球這兩顆清晰明亮的「夜晚的星星」。
在一百萬英里外觀賞地球和月亮。圖源：美國宇航局/ 美國國家海洋和大氣管理局
7. 深空氣候天文台：月球實力搶鏡頭
「 2015年 ，深空氣候天文台（DSCOVR）衛星拍攝的這張圖片捕獲了月亮經過地球亮面的獨特視圖。它提供了在地球上無法直接觀測的 月球背面 的圖像。這樣的視角令人感動非常，而且只有通過我們的衛星，這樣的景色才能被分享出來。」
——美國宇航局地球科學分部部長邁克爾·弗里里奇（Michael Freilich）
伽利略號宇宙飛船離開地球時拍攝的景象。圖源：美國宇航局
8.伽利略號:離開的第八天
距伽利略號和地球最後一次相遇已經八天了——第二次藉助地球引力以駛向 木星 ——當伽利略號回望地球的時候，捕捉到了我們的地球和月球的非凡景象。這張圖片是在距離地球約 390萬英里(620萬公里) 地方拍攝的。
羅塞塔號視野下的地球。圖源：歐空局
9.羅塞塔號:生命片段
2009 年，飛往 楚留莫夫－格拉希門克彗星 的歐空局羅塞塔號航天器第三次也是最後一次飛越我們的星球。在此期間，它在距離地球約 39.3萬英里(63.3萬公里) 的地方拍攝到了這幅圖像。
信使號飛離地球的景象。圖源：美國宇航局/約翰霍普金斯大學應用物理實驗室/華盛頓卡內基研究所
10.信使號：再見，地球
准備飛往 水星 的信使號在 2005年8月2號 飛越地球以進行引力助推的過程中，捕獲了幾張令人驚訝的地球圖像。
結語：10張從太空拍到的地球照片。
作者 ：EarthSky Voices
FY ：Astronomical volunteer team
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處
D. 宇宙是什麼樣子的 給點圖片
宇宙是什麼樣子的，歷史已有的觀點：
1917年，愛因斯坦發表了著名的「廣義相對論」，為我們研究大尺度、大質量的宇宙提供了比牛頓「萬有引力定律」更先進的武器。應有後，科學家解決了恆星一生的演化問題。而宇宙是否是靜止的呢？對這一問題，連愛因斯坦也犯了了一個大錯誤。他認為宇宙是靜止的，然而1929年美國天文學家哈勒以不可辯駁的實驗，證明了宇宙不是靜止的，而是膨脹的。正像我們吹一隻大氣球一樣，恆星都在離我們遠去。離我們越遠的恆星，遠離我們的速度越快。可以推想：如果存在這樣的恆星，它離我們足夠遠以至於它離開我們的速度達到光速的時候，它發出的光就永遠也不可能達到地球了。從這個意義上講，我們可以認為他是不存在的。因此，我們認為宇宙是有限的。
「宇宙到底是什麼樣子？」目前尚無定論。值得一提的是史蒂芬.霍金的觀點比較讓人容易接受：宇宙是有限無界的，只不過比地球多了幾維。比如，我們的地球就是有限而無界的。在地球上，無論是從南極到北極，還是從北極走到南極，你始終不可能找到地球的邊界，但你不能由此認為地球是無限的。實際上，我們都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。
怎樣理解宇宙比地球多了幾維呢？舉一個例子：一個小球沿地面滾動並掉進了一個小洞中，在我們看來，小球是存在的，它還在洞裡面，因為我們人類是「三維」的；而對於一個動物來說，它得出的結論就會是：小球已經不存在了！它消失了。為什麼得出這樣的結論呢？因為它生活在「二維」世界裡，對「三維」事件是無法清楚理解的。同樣的道理，我們人類生活在「三維」世界裡，對於比我們多幾維的宇宙，也是很難理解清楚的。這也正是對於「宇宙是什麼樣子」這個問題無法解釋清楚的原因。
1.均勻的宇宙
長期以來，人們相信地球是宇宙的中心。哥白尼把這個觀點顛倒了過來，他認為太陽才是宇宙的中心。地球和其它行星都是圍繞太陽轉動，恆星則是鑲嵌在天球的最外層上。布魯諾進一步認為，宇宙沒有中心，恆星都是遙遠的太陽。
無論是托勒密的地心說還是哥白尼的日心說，都認為宇宙是有限的。教會支持宇宙有限的論點。但是，布魯諾敢說宇宙是無限的，從而挑起了宇宙究竟是有限還是無限的長期論戰。這場論戰並沒有因為教會燒死布魯諾而停止下來。主張宇宙有限的人說：「宇宙怎麼可能是無限的呢？」這個問題同樣也不好回答。
隨著天文觀測技術的發展，人們看到，確實像布魯諾所說的那樣，恆星是遙遠的太陽。人們還進一步認識到，銀河是由無數個太陽系組成的大星系，我們的太陽系處在銀河系的邊緣，圍繞著銀河系的中心旋轉，轉速大約每秒250公里，圍繞銀心轉一圈約需2.5億年。太陽系的直徑充其量1光年，而銀河系的直徑高達10萬光年。銀河系由100多億顆恆星組成，太陽系在銀河系中的地位，真像一粒沙子處在北京城中。後來又發現，我們的銀河系還與其它銀河系組成更大的星系團，星系團的直徑約為107光年（1000萬光年）。目前，望遠鏡觀測距離已達100億光年以上，在所見的范圍內，有無數個星系團存在，這些星系團不再組成更大的團，而是均勻各向同性地分布著。也就是說，在107光年的尺度以下，物質是成團分布的。衛星繞著行星轉動，行星、彗星繞著恆星轉動，形成了一個個太陽系。這些太陽系分別由一個、兩個、三個或更多個太陽以及它們的行星組成。有兩個太陽的稱為雙星系，有三個以上太陽的稱為聚星系。成千上億個太陽系聚集在一起，形成銀河系，組成銀河系的恆星（太陽系）都圍繞著共同的重心—銀心轉動。無數銀河系組成的星團，團中的銀河系也同樣圍繞著它們共同的重心轉動。但是，星系團之間，不再有成團結構。各個星系團均勻地分布著，無規則的運動著。從我們地球上，往四面八方看，情況都差不多。粗略地說，星系團有點像容器中的氣體分子，均勻分布著，做著無規則運動。這就是說，在108光年（一億光年）的尺度以上，宇宙中的物質不再是成團的，而是均勻分布的。
由於光的傳播需要時間，我們看到的距離我們一億光年的星系，實際上是那個星系一億光年前的樣子。所以，我們用望遠鏡看到的，不僅是空間距離遙遠的星系，而且是它們的過去。從望遠鏡看來，不管多遠距離的星系團，都均勻各向同性的分布著。因而我們可以認為，宇觀尺度上（105光年以上）物質分布的均勻狀態，不是現在才有的，而是早已如此。
於是，天體物理學家提出一條規律，即所謂宇宙學原理。這條原理說，在宇觀尺度以上，三維空間在任何時刻都是均勻各向同性的。現在看來，宇宙學原理是對的。所有星系都差不多，都有相似的演化歷程。因此我們用望遠鏡不僅看空間，而且在看時間，在看我們的歷史。
2.有限而無邊的宇宙
愛因斯坦發表相對論以後，考慮到萬有引力比電磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中產生重要的影響，因而他把注意力放在了天體物理上。他認為，宇宙才是廣義相對論大有用武之地的領域。
愛因斯坦1915年發表廣義相對論，1917年就提出了一個建立在廣義相對論基礎上的宇宙模型。這是一個人們完全意想不到的模型。在這個模型中，宇宙的三維空間是有限無邊的，而且不隨時間變化。以往人們認為，有限就是有邊。愛因斯坦把有限和有邊區分了開來。
一個長方形的桌面，有確定的長和寬，也有確定的面積，因而大小是有限的，同時它有明顯的四條邊，因此是有邊的。如果有一個小甲蟲在它上面爬，無論向哪個方向爬，都會很快到達桌面的邊緣。所以桌面是有限有邊的二維空間。如果桌面向四面八方無限伸展，成為歐氏幾何中的平面，那麼，這個歐式平面是無限無邊的二維空間。
我們再看一個籃球的表面，如果籃球的半徑為r，那麼球面的面積是4∏r0，大小是有限的。但是，這個二維球面是無邊的。假如一個小甲蟲在它上面爬，永遠也不會走到盡頭。所以，籃球面是一個有限無邊的二維空間。
按照宇宙學原理，在宇觀尺度上，三維空間是均勻各向同性的。愛因斯坦認為，這樣的空間必定是常曲率空間，也就是說空間個點的彎曲程度應該相同，即應該有相同的曲率。由於有物質存在，四維時空應該是彎曲的。三維空間也應該是彎的而不應是平的。愛因斯坦覺得，這樣的宇宙應該是三維超球面。三維超球面不是通常的球體，而是二維球面的推廣。通常的球體是有限有邊的，體積是3∕4∏r3,它的邊就是二維球面。三維超球面是有限無邊的，生活在其中的三維生物（例如我們人類就是有長、寬、高的三維生物），無論朝哪個方向前進均碰不著邊。假如它一直朝北走，最終會從南邊回來。
宇宙學原理還認為，三維空間的均勻各向同性是在任何時刻都保持的。愛因斯坦覺得其中最簡單的情況就是靜態宇宙，也就是說，不隨時間變化的宇宙。這樣的宇宙只要在某一時刻均勻各向同性，就永遠保持均勻各向同性。
愛因斯坦試圖在三維空間均勻各向同性、且不隨時間變化的假定下，求解廣義相對論的場方程。場方程非常復雜，而且需要知道初始條件（宇宙最初的情況）和邊界條件（宇宙邊緣處的情況）才能求解。本來，解這樣的方程是十分困難的事情，但是愛因斯坦非常聰明，他設想宇宙是有限無邊的，沒有邊自然就不需要邊界條件。他又設想宇宙是靜態的，現在和過去都一樣，初始條件也就不需要了。再加上對稱性的限制（要求三維空間均勻各向同性），場方程就變得好解多了。但還是得不出結果。反復思考之後，愛因斯坦終於明白了求不出解的原因：廣義相對論可以看作是萬有引力定律的推廣，只包含「吸引效應」不包含「排斥效應」。而維持一個不隨時間變化的宇宙，有排斥效應和吸引效應相平衡才行。這就是說，從廣義相對論場方程不可能得出「靜態」宇宙。要想得出靜態宇宙，必須修改場方程。於是他在方程中增加了一個「排斥項」，叫做宇宙項。這樣，愛因斯坦終於計算出了一個靜態的，均勻各向同性的、有限無邊的宇宙模型。一時間大家非常興奮，科學終於告訴我們，宇宙是不隨時間變化的、是有限無邊的。看來，關於宇宙有限還是無限的爭論似乎可以畫上一個句號了。
3.宇宙的「宇宙模型」之說
幾年之後，一個名不見經傳的前蘇聯數學家弗里德曼，應用不加宇宙項的場方程，得到一個膨脹的、或脈動的宇宙模型。弗里德曼宇宙在三維空間上也是均勻、各向同性的，但是，它不是靜態的。這個宇宙模型隨時間變化，分三種情況，三維空間的曲率是負的；第二種情況，三維空間的曲率為零，也就是說，三維空間是平直的；第三種情況，三維空間的曲率是正的。前兩種情況，宇宙不斷地膨脹；第三種情況，宇宙先膨脹，達到一個最大值後開始收縮，然後再膨脹，再收縮、、、、、、因此第三種宇宙是脈動的。弗里德曼宇宙最初發表在一個不太著名的雜志上。後來，西歐一些數學家物理學家得到類似的宇宙模型。愛因斯坦得知這類膨脹或脈動的宇宙模型後，十分興奮。他認為自己的模型不好，應該放棄，弗里德曼模型才是正確的宇宙模型。
同時，愛因斯坦宣稱，自己在廣義相對論的場方程上加宇宙項是錯誤的，場方程不應該含有宇宙項，而應該是原來的老樣子。但是，宇宙項就像「天方夜譚」中從瓶子里放出的魔鬼再也收不回去了。後人沒有理睬愛因斯坦的意見，繼續探討宇宙項的意義。今天，廣義相對論的場方程有兩種，一種不含宇宙項，另一種含宇宙項，都在專家們的應用和研究中。
早在1910年前後，天文學家就發現大多數星系的光譜有紅移現象，個別星系的光譜還有紫移現象。這些現象可以用多普勒效應來解釋。遠離我們而去的光源發出的光，我們收到時會感到其頻率降低，波長變長，並出現光譜線紅移的現象，即光譜線向長波方向移動的現象。反之，向著我們迎面而來的光源，光譜線會向短波方向移動，出現紫移現象。這種現象與聲音的多普勒效應相似。許多人都有過這樣的感受；迎面而來的火車其鳴叫聲特別尖銳刺耳，遠離我們而去的火車其鳴叫聲則明顯遲鈍。這就是聲音的多普勒效應，迎面而來的生源發出的聲波，我們感到其頻率升高，遠離我們而去的生源發出的聲波，我們則感到其頻率降低。
如果認為星系的紅移、紫移現象是多普勒效應，那麼大多數星系都在遠離我們，只有個別星系向我們靠近。隨之進行的研究發現，那些個別向我們靠近的紫移星系，都在我們自己的本星系團中（我們銀河系所在的星系團稱本星系團）。本星系團中的星系，多數紅移，少數紫移；而其它星系團中的星系就全是紅移了。
1929年，美國天文學家哈勃總結了當時的一些觀測數據，提出了一條經驗規律，河外星系（即我們銀河系之外的其他銀河系）的紅移大小正比於它們離開我們銀河系中心的距離。由於多普勒效應的紅移量與光源的速度成正比，所有，上述定律又表述為：河外星系的推行速度與它們離我們的距離成正比：
V＝HD
式中的V是河外星系的退行速度，D是它們到我們銀河系中心的距離。這個定律成為哈勃定律，比例常數H稱為哈勃常數。按照哈勃定律，所有的河外星系都在遠離我們。而且，離我們越遠的河外星系，逃離越快。
哈勃定律反映的規律與宇宙膨脹理論正好相符。個別星系的紫移可以這樣解釋，本星系團內部個星系要圍繞它們的共同重心移動，因此總會有少數星系在一定時間內向我們的銀河系靠近。這種紫移現象與整體的宇宙膨脹無關。
哈勃定律大大支持了弗里德曼的宇宙模型。不過，如果查看一下當年哈勃得出定律時所用的數據圖，人民會感到驚訝。在距離與紅移量的關系圖中，哈勃標出的點並不集中在一條直線附近，而是比較分散的。哈勃怎麼敢斷定這些點應該描繪成一條直線呢？一個可能的答案是，哈勃抓住了規律的本質，拋開了細節。另一個可能是，哈勃已經知道當時的宇宙膨脹理論，所以大膽認為自己的觀測與該理論一致。以後的觀測數據越來越精，數據圖中的點也越來越集中在直線附近，哈勃定律終於被大量實驗觀測所確認。
4.宇宙到底有限還是無限
現在，我們又回到前面的話題，宇宙到底有限還是無限？有邊還是無邊？對此，我們從廣義相對論、大爆炸宇宙模型和天文觀測的角度來探討這一問題。
滿足宇宙學原理（三維空間均勻各向同性）的宇宙，肯定是無邊的。但是否有限，卻要分三種情況來討論。
如果三維空間的曲率是正的，那麼宇宙將是有限無邊的。不過，它不同於愛因斯坦的有限無邊的靜態宇宙，這個宇宙是動態的，將隨時間變化，不斷的脈動，不可能靜止。這個宇宙從空間體積無限小的奇點開始爆炸、膨脹。此奇點的物質密度無限大。溫度無限高、空間曲率也無限大。在膨脹過程中宇宙的溫度逐漸降低，物質密度、空間曲率和時空曲率逐漸減小。體積膨脹到一個最大值後，將轉為收縮。在收縮過程中，溫度重新升高】物質密度、空間曲率和時空曲率逐漸增大，最後達到新奇點許多人認為，這個宇宙在達到新奇點之後將重新開始膨脹。顯然，這個宇宙的體積是有限的，這是一個脈動的、有限無邊的宇宙。
如果三維空間的曲率為零，也就是說，三維空間是平直的（宇宙中有物質存在，四維時空是彎曲的），那麼這個宇宙一開始就具有無限大的三維體積，這個初始的無限大三維體積是奇異的（即「無窮大」的奇點）。這個「無窮大」奇點，我開始，爆炸不是發生在初始三維空間中的某一點，而是發生在初始三維空間的每一點，即大爆炸發生在整個「無窮大」奇點上。這個「無窮大」奇點，溫度無限高，密度無限大，時空曲率也無限大（三維空間曲率為零）。爆炸發生後，整個「奇點」開始膨脹，成為正常的非奇異時空，溫度、密度和時空曲率都逐漸降低。這個過程將永遠地進行下去。這是一種不大容易理解的圖像：一個無窮大的體積在不斷地膨脹。顯然，這種宇宙是無限的，它是一個無限無邊的宇宙。
三維空間曲率為負的情況與三維空間曲率為零的情況比較相似。宇宙一開始就有無窮大的三維體積，這個初始體積也是奇異的，即三維「無窮大」奇點。它的溫度、密度無限高，三維、四維曲率都無限大。大爆炸發生在整個「奇點」上，爆炸後，無限大的三維體積將永遠膨脹下去，溫度、密度和曲率都將逐漸降下來。這也是一個無限的宇宙，確切地說是無限無邊的宇宙。
那麼，我們的宇宙到底屬於上述三種情況的哪一種呢？我們宇宙的空間曲率為正，為負還是為零呢？這個問題要由觀測來決定。
廣義相對論的研究表明，宇宙中的物質存在一個臨界密度pc,大約是每個立方米三個核子（質子或中子）。如果我們宇宙中物質的密度P大於PC，則三維空間曲率為正，宇宙是有限無邊的；如果P小於PC，則三維空間曲率為負，宇宙也是有限無邊的。因此，觀測宇宙中物質的平均密度，可以判定我們的宇宙究竟屬於哪一種，究竟有限還是無限。
此外，還有另一個判據，那就是減速因子。河外星系的紅移，反映的膨脹是減速膨脹，也就是說，河外星系遠離我們的速度在不斷減小。從減速的快慢，也可以判定宇宙的類型。如果減速因子q大於1／2，三維空間曲率將是正的，宇宙膨脹到一定程度將收縮；如果q等於1／2，三維空間曲率為零，宇宙將永遠膨脹下去；如果q小於1／2，三維空間曲率將是負的，宇宙也將永遠膨脹下去。
下表列出了有關的情況：
我們有了兩個判據，可以決定我們的宇宙究竟屬於哪一種了。觀測結果表明，p＜pc，我們宇宙的空間曲率為負，是無限無邊的宇宙，將永遠膨脹下去！不幸的是，減速因子觀測給出了相反的結果，q＞1／2，這表明我們宇宙的空間曲率為正，宇宙是有限無邊的，脈動的，膨脹到一定程度會收縮回來。哪一種正確呢？有些人傾向於認為減速因子的觀測更可靠，推測宇宙中可能有某些暗物質被忽略了，如果找到這些暗物質，就會發現p實際上是大於pc的。另一些人則持有相反的看法。還有一些人認為，兩種觀測方法雖然結論相反，但得到的空間曲率都與零相差不大，可能宇宙的空間曲率就是為零。然而，要統一大家的認識，還需要進一步的實驗觀測和理論推敲。今天，我們仍然肯定不了宇宙究竟有限還是無限，只能肯定宇宙無邊，而且現在正在膨脹！此外，還知道膨脹大約開始於100億～200億年以前，這就是說，我們的宇宙大約起源於100億～200億年以前。
5.宇宙巨壁和宇宙巨洞
20世紀70年代以前，人們普遍認為大尺度宇宙的宇宙物質分布是均勻的，星系團均勻的地散布宇宙空間。然而，近年來天文學研究的進步改變了人們的共識。人們發現，宇宙在大尺度上也是有結構的。
20世紀50年代，沃庫勒首先提出包括我們銀河系所屬的本星系群在內本超星系團。已先後發現十幾個超星系團。星系團像一些珠子，被一些孤立的星系串在一起，形成超星系團。最大的超星系團超過了10億光年。1978年，在發現A1367超星系團的發現了一個巨洞，其中幾乎沒有星系。不久，有著牧夫座發現一個直徑達2.5億光年的巨洞，巨洞里有一些暗的矮星系。巨洞和超星系團的存在表明，宇宙的結構好像肥皂泡沫那樣由許多巨洞組成。星系、星系團和超星系團位於「泡沫巨洞」的「壁」上，把巨洞隔離開來。1986年，美國天文學家的研究結果表明，這些星系似乎擁擠在一條雜亂相連的不規則的環形周界上，像是附著在巨大的泡沫壁上，周界的跨度約50兆秒差距。後來他們的研究又得到進一步的發展。他們指出：宇宙存在著尺度約達50兆秒差距的低密度的宇宙巨洞，及高密度的星系巨壁，在他們所研究的天區存在一個星系巨壁，巨壁長為170兆秒差距，高為60兆秒差距，寬度僅為5兆秒差距。
星系巨壁（也稱宇宙長城或宇宙巨壁）和宇宙巨洞是怎麼產生的呢？人們認為應從宇宙早期去找原因，在宇宙誕生後不長時期內，雖然宇宙是均勻的，但各種尺度的密度起伏仍然是存在的，有的起伏被抑制住了，有的起伏得到發現，被引力放大成現在所觀測到的大尺度結構。
6.暗物質之謎
不少天文學家認為宇宙中有90%以上的物質是以暗物質的形式隱藏著的。有些什麼事實和現象表示宇宙中存在暗物質呢？
早在20世紀30年代荷蘭天文學家奧爾特就注意到，為了說明恆星來回穿越銀道面的運動，銀河系圓盤中必須有占銀河系總質量的一半的暗物質存在。20世紀70年代，一些天文學家的研究證明星系的質量主要並不集中在星系核心，而是均勻的分布在整個星系中。這就暗示人們，在星系暈中一定存在著大量看不見的暗物質。這些暗物質是些什麼呢？
科學家認為，暗物質中有少量是所謂的重子物質，如極暗的褐矮星，質量為木星30倍～80倍的大行星，恆星殘骸，小黑洞，星系際物質等。它們與可見物質一樣，雖也是由質子、中子和電子等組成的物質，但很難用一般光學望遠鏡觀測到它們。相對而言，絕大部分暗物質是非重子物質，它們都是些具有特意性能的，質量很小的基本粒子，如中微子、軸子及探討中的引力微子、希格斯微子、光微子等。
怎樣才能探測到這些暗物質呢？科學家做了許多努力。對於重子暗物質，他們重點探測存在於星系暈中的暗天體，它們被叫做大質量緻密度暈天體。1993年，由美澳等國天文學家組成的三個天文研究小組開始了尋找緻密暈天體的研究工作。到1996年，他們報告說，已找到7個這樣的天體。它們的質量由1／10太陽質量到1個太陽質量不等。有些天文學家認為這些天體可能是白矮星、紅矮星、褐矮星、木星大小的天體、中子星以及小黑洞，也有人認為銀河系中50%的暗物質可能是核燃料耗盡的死星。
關於非重子物質，現在尚未觀測到這些幽靈般的粒子存在的證據。
近年來對中微子質量的測量取得了一些新結果。1994年美國物理學家懷特領導的物理學小組測量出中微子質量在0.5～5電子伏（1電子伏等於1.7827×10（～36）千克）之間。在每一立方米的空間中約有360億個中微子。如果是這樣的話，那麼宇宙中全部中微子的總質量要比所有已知的星系的總和還要大。
到目前為止，宇宙中暗物質的問題仍是個未解之謎。