然而，無論如何，不管比值如何變化，只要有光的地方，就會有暗物質存在。
你或許還記得在慕尼黑我和馬西莫在晚餐時的對話，馬西莫是一個品牌營銷專家，他反對“暗物質”這個名字。在同一個晚宴上，馬西莫向我介紹了另外一個參會者馬特。馬特問我人類駕馭這種尚未被理解的物質的能力有多大。作為一個遊戲設計者，他問這個問題是可以理解的。不久後，一位從事劇本創作的朋友又問了我同樣的問題。這也不足為奇，因為她在自己的科幻小說中對此做了預測。
以上這些詢問僅僅代表了一個非常美好的願望，我把它再次歸因於“暗物質”這個名字選擇得不好上。在我們周圍的宇宙環境中，暗物質既不是一種有威脅的物質，也不是一種取之不盡、用之不竭的戰略資源。鑒於已知物質和暗物質之間的影響極其微弱，沒有人可以將暗物質收集起來放在地下室或車庫裡。利用我們的雙手和普通物質製成的工具，我們既不能製造暗物質導彈，也不能製造暗物質陷阱，因為找到暗物質非常困難，而且駕馭它又完全是另外一回事。即使我們能夠找到一種方法把暗物質控制起來，它也不會以任何明顯的方式影響我們，因為它只通過引力或通過一些其他力與普通物質相互作用，這些作用力因為太弱而不能被探測到，即使是非常靈敏的探測器也不行。若非存在巨大天文尺度的物體，暗物質對地球的影響將會更加難以被感知到。這也是它如此難以被找到的原因。
事實是，宇宙含有大量暗物質。瀰散於宇宙四處的暗物質坍縮並且聚集在一起，創造了星系和星系團，並繼而形成了恆星。
雖然暗物質並沒有通過任何可以觀測到的方式直接影響人類或實驗室裡的實驗，但它的引力作用對宇宙結構的形成卻至關重要。
因為大量暗物質聚集在這些巨大的坍縮區域中，普通物質也存在於此，因而暗物質將繼續影響恆星的運動和星系的軌跡。我們將很快會看到，一種非常規類型的暗物質會坍縮得更為緻密，從而會影響太陽系的軌道。儘管人類不能駕馭暗物質，但更為強大的宇宙卻可以。本章將解釋暗物質在宇宙演化中，以及在已知的、有限壽命的星系形成中的關鍵作用。
蛋與雞
結構形成理論認為，宇宙暴脹最終形成了極度（但並非完全）枯燥而均勻的天空，恆星和星系就是從中發展而來的。本書多次提到的“結構形成的一致性圖景”是一個相對較新的進展，但這個理論現在已經牢牢地扎根於宇宙學（例如以暴脹理論作為補充的大爆炸理論），以及有著更好測量的物質組成（比如暗物質）之上。這讓我們能夠解釋，早期宇宙的炙熱、無序和未分化區域，如何能夠形成我們當今所看到的星系和恆星。
最初，宇宙是炙熱的、緻密的，並且基本上是均勻的，也就是說在太空的每一點都是一樣的；它也是各向同性的，這意味著它在各個方向上都是相同的。儘管粒子之間會相互作用、出現，然後消失，但粒子的密度和行為在各個地方都是一樣的。這個圖像當然會非常不同於你看到的宇宙照片，也不同於當你仰望星空時看到的美麗夜空的圖景。
宇宙現在不再是均勻的了。星系、星系團以及恆星掙脫了空間的膨脹，突顯出它們在整個天空分佈的不均勻性。這樣的結構是我們這個世界中所有事物的核心。如果沒有那些緻密的恆星系統，就不會有這個世界的一切。這些恆星系統對重元素以及所有包括生命在內的神奇事物的形成，都至關重要。對生命而言，它至少要產生於一個恆星聚集的環境之中。
宇宙的可見結構產生於氣體和恆星系統。這些恆星的集合有著各種尺寸和形狀。雙星——一個恆星繞著另外一個旋轉，構成一個恆星系統，就如星系一樣，不過星系是由數十萬顆甚至萬億顆恆星所構成的。星系團的恆星數量又是星系的上千倍，它們也是恆星系統。
為了瞭解所涉及的物體類型，先來考慮一下宇宙所含物體的典型質量和大小。天文尺寸一般用秒差距或光年來衡量，天文質量通常以太陽質量來衡量，即等價於多少個太陽。星系的尺寸變化很大，小至1 000萬太陽質量的矮星系，大至100萬億太陽質量的最大星系。銀河系是一個相對較小也比較典型的星系，大約為1萬億太陽質量，即其總質量，其中包含了占主導地位的暗物質。大多數星系的直徑在幾千到幾十萬光年。星系團的質量在百萬億到千萬億太陽質量之間，典型的直徑在500萬～5 000萬光年。星系團包含了多至大約1 000個星系，而超星系團包含的星系數目更有星系團的10倍之多。
儘管這些物體至今仍存在，但早期的宇宙並不包含它們。早期的宇宙是極為緻密的，恆星或星系還沒有形成。對於恆星和星系而言，它們的密度要遠遠低於早期宇宙的密度。只有在宇宙冷卻到某個溫度之下，即宇宙的平均密度比最終形成天體的密度還要低時，恆星系統才有可能形成。結構形成也要等到宇宙中的物質能量比輻射能量高的時候才開始。請注意，我使用的是宇宙學中的輻射定義，它包含任何事物，包括諸如光子的粒子，也包含接近光速運動的粒子。在炙熱的早期宇宙，幾乎所有的事物都滿足這個條件，因為溫度非常之高，使得輻射在宇宙能量中占主導地位。
隨著宇宙的膨脹，輻射和物質都被稀釋了，它們的能量密度也同樣如此。因為紅移效應會降低輻射的能量，所以輻射能量將降低得更快，對於物質，在等待了10萬年之後，終於走到聚光燈下，最終主宰了宇宙的能量。在這個具有里程碑意義的時刻，物質超過了輻射，成為宇宙能量的主要貢獻者。
理解結構最初如何增長的一個很好的起點，大約就是從宇宙開始演化的10萬年之後，這個時候物質開始佔據主導地位。這個時間要比原初擾動開始增長的時間晚一些，但又比我們所觀測到的宇宙微波背景的形成時間早一些。對於宇宙學而言，物質主導的意義非常重大，運動速度比較慢的物質攜帶有比輻射少得多的壓力，因此會以不同的方式影響宇宙膨脹。當物質主導時，宇宙的膨脹速度就會發生變化。但對於結構形成更為重要的是，小而緊湊的結構可能就在當時開始增長。對於那些以光速或者接近光速運動的輻射，因為減速不夠（速度仍然很快），就不會被那些弱引力束縛系統限制住。但輻射會抹平擾動，就像風會抹去沙子留在海灘上的漣漪。另外一方面，物質會減速並聚集成團——只有緩慢運動的物質才能夠充分坍縮形成結構。這也是為什麼宇宙學家有時說暗物質是冷的，這意味著它不是熱的，並且不是以相對論速度運動的，從而與輻射表現出很大的差別。
當物質在宇宙能量密度中占主導地位之後，密度擾動的區域會誘發物質坍縮，從而形成結構增長的種子。這些密度擾動的區域中，一些區域密度稍高，另外一些區域的密度會相對較低，而這些結構是在暴脹階段結束時形成的。這些擾動隨後增長，最終經過放大，將最初的均勻宇宙轉化成我們看到的差異化很大的天空。小於萬分之一的微小密度變化就足以從一個幾乎均勻的宇宙中創造出結構，因為宇宙是平直的，這意味著存在一個臨界能量密度，剛好位於快速坍縮和快速膨脹的邊界上。臨界密度創造了一個最佳點，從而宇宙能夠緩慢膨脹並且持續足夠長的時間，使結構能夠得以形成。在這個微妙確定的環境中，即使很小的密度擾動也能導致某一區域中的物質坍縮，從而結構開始形成。
當這個坍縮導致結構形成開始時，兩個相互競爭的力都有貢獻。引力將物質向裡拉，而儘管輻射不佔主導地位，但它會將物質向外推。一旦超過某個閾值，平衡就會被破壞，這個閾值被稱為金斯質量（Jeans mass）。在這塊區域之內，向外的輻射壓不能和向內的引力相平衡，從而導致區域內的氣體坍縮，物質和增長於引力勢中的天體變成了形成發光星系和恆星的種子。
高密度區域會比低密度區域產生更多吸引力，從而讓本來緻密的區域越來越緻密，並進一步消耗掉周圍區域中已經很稀疏的氣體。因為富含物質的區域變得更加富有，而物質貧乏的區域變得更加貧乏，所以宇宙變得更加凹凸不平。這種物質聚集會一直持續，從而產生引力束縛的天體，並以正反饋的方式持續坍縮。恆星、星系和星系團都是在這個時候產生的，它們都是起源於引力效應作用於最初的暴脹結束之時，微小的量子力學波動。
具有吸引力的勢阱能夠吸引物質並使其坍縮。最初產生這種勢阱的大都是暗物質，而非普通物質，一是因為它與輻射沒有相互作用，二是因為其總量更大。我們能看到恆星和星系，是因為它們能夠發光。但實際上，最初是暗物質將可見物質吸引到這些緻密區域的，從而才可能產生星系及恆星。當一塊足夠大的區域坍縮時，暗物質會形成一個球形暈。在這個暈內，由普通物質組成的氣體會冷卻，朝中心坍縮，最終碎裂形成恆星。
相比較僅僅有普通物質存在的區域，暗物質的存在會讓這些區域坍縮得更快，因為更大的物質總能量密度會讓物質比輻射更快地佔據主導地位。除此之外，暗物質之所以很重要還有另外一個原因，即電磁輻射在開始時，會阻止普通物質在大約1%星系大小的尺度上形成結構。只有搭上暗物質這個便車，宇宙中星系大小的天體和恆星的種子才會有時間形成。如果沒有暗物質導致的坍縮，就不會有目前恆星的星族和分佈。
因此，是暗物質開啟了坍縮，從而形成了結構。不僅是因為它更多，更是因為暗物質不受光的影響，所以電磁輻射不能將它們像普通物質一樣驅散。暗物質從而建立了物質分佈中的原初擾動，在物質和輻射退耦之後，普通物質會根據原初擾動作出反應。暗物質有效地給了普通物質一個很好的開始，為星系和恆星系統的形成鋪平了道路。因為暗物質不與輻射作用，即使當普通物質不能坍縮時，它依然可以坍縮，形成基板，把質子和電子帶到坍縮區域中來。
暗物質和普通物質同時坍縮成可見天體，比如星系和恆星，這對結構形成非常重要，同樣對觀測也很重要。儘管我們只能夠直接
看到普通物質，但我們非常確信暗物質和普通物質存在於同一個星系中。由於普通物質依賴暗物質的原初擾動來產生形成結構的種子，所以普通物質多數情況下位於包含大量暗物質的結構中。因此，從某種意義上來說，“在路燈下尋找暗物質”的說法是恰當的。
暗物質在今天仍然發揮著重要作用。它不僅對吸引力的大小有貢獻，防止恆星飛走，同時也把一些被超新星噴發出去的物質吸引回星系裡。暗物質有助於把重元素保留在星系中，而這些重元素對於恆星的進一步形成和生命的出現都很關鍵。
儘管物理學家可以在理論的基礎上預測早期的結構形成，但目前沒有觀測者可以目睹最初結構形成過程中宇宙相變的細節。望遠鏡探測到的光，有時甚至能夠讓我們看到數十億年前形成的最早星系，但通常都是最近發射出來的。另外一方面，可觀察的宇宙微波背景輻射來自宇宙還是充滿輻射的那個時間，坍縮的引力束縛的天體尚未形成。背景輻射把早期密度波動的痕跡印在了38萬年之後的宇宙進化中，但等到恆星和星系存在並產生可觀測的光，又過去了大約5億年。
在再合併之後（此時中性原子形成，微波背景輻射產生）和發光天體出現之前的中間一段時間，是一個非常黑暗的時代，目前的觀測儀器無法對其進行觀測。天體沒有光發出，是因為恆星尚未形成。在早期，微波背景輻射會與無處不在的帶電物質相互作用，但從此時起微波背景輻射也不再會照亮天空。這是用傳統望遠鏡觀測不到的（見圖5-1），但這正是宇宙的原初之“湯”轉化為豐富和複雜的宇宙最初結構的時代，這些最初的複雜結構演化成了我們現在所看到的一切。
圖5-1
在我們能夠看到宇宙微波背景輻射之後，一個黑暗時代隨之而來，結構開始形成，第一代恆星出現和爆發，星系和其他結構也隨之形成，暗能量逐步主宰宇宙膨脹。（感謝NASA提供圖片）
哈佛大學天體物理學家阿維·勒布（Avi Loeb）做了一個類比，目前的技術無法觀察到最早恆星的形成，就如同我們不能目睹一隻小雞如何最初從雞蛋中孵出來一般。一個雞蛋包含了像湯一樣的糊狀結構。讓一隻母雞孵蛋的話，從雞蛋中就會孵化出一隻小雞，並最終成長為一隻發育成熟的雞。從破碎的雞蛋中，除了蛋黃和蛋白，別無他物，但它們包含了可以孵出小雞的“種子”。這個轉變發生在蛋殼之內，如果不借助特殊工具，沒有人可以看到內部究竟發生了什麼。
我們需要新技術來探索最早的結構形成。沒有人能看到宇宙進化時的黑暗時期，儘管已有一些理論提議。然而，就像一個雞蛋，密度擾動包含了後續結構的種子。但是，不像“是雞生蛋，還是蛋生雞”的窘境，對於宇宙進化我們知道誰先誰後。
等級結構
上述結構形成的圖景包含了大量與坍縮相關的物理知識，它是建立在各自的擾動過程之上的，每一個擾動都成為一個星系的種子，而每一個星系都會獨立演化。進一步的研究表明，巨型恆星最先形成，但它們或是很快以超新星爆發掉，將第一代重元素釋放到宇宙中，或是成了黑洞。這些重元素在宇宙之後的發展中扮演著重要角色。也只有在金屬（天文學家稱這些重元素為金屬）存在之後，更小的恆星（比如太陽）才能夠在一些更冷更緻密的區域形成，我們現在所能看到的結構才能夠被產生。
但在恆星形成之前，星系就已經產生。事實上，星系是最先出現的複雜結構。每一個星系看起來都自成一體，但是，就像我們很快看到的，它們又都是聯繫在一起的，所以星系在很多方面都是宇宙的基石。一旦形成，星系可以合併成更大的結構，比如星系團。在足夠的坍縮之後，恆星會在最密集的區域之內形成。我們今天所見結構的形成是開始於星系的。
然而，這個星系單獨形成的圖景是簡化了的模型。在現實中，就如這個圖景讓你相信的一樣，星系並不是孤島。與星系的碰撞和合併對於它們的發展也至關重要。星系的形成是有等級的，較小的星系首先形成，更大的結構在之後形成。甚至那些似乎是孤立的星系其實也是被更大的暗暈所包圍，而這些暗暈與其他星系的暗物質暈是接觸在一起的。因為星系佔據了一個相對比較大的空間比，大約為1‰，所以星系比恆星要碰撞得更為頻繁，而恆星所佔的體積比差不多為千萬萬億分之一。通過合併以及其他引力相互作用，星系持續地互相影響著。星系持續吸引氣體、恆星和暗物質進入，從而進一步演化。
有了這個更深層次的知識，讓我們重新審視在結構形成過程中發生了什麼。為了更好地理解這個過程，“富人更富、窮人更窮”的比喻非常貼切。就像當今世界的社會狀況一樣，窮人不僅變得更窮，也會變得越來越多。事實上，在一些激烈的爭論中，我有時會聽到有關人性的災難性預言，富人將會被擠到很小的區域裡，隨著越來越多貧窮階層的增加，富人會被擠到城市的最邊緣。在這種並不是很受歡迎的情形中，富人將居住在城鎮的郊區，就像當我訪問位於南非德班地區時，在白人居住的郊區看到的一樣。鄰近的城鎮也將會經歷類似的現象。一旦過分向外延伸，鄰近城鎮會相互影響，在相交的區域只留下富人。這些富有的、被隔離的人群可能會在商業和安全系統方面投資，但所有這些快速發展都會被留在某些節點當中，而這些節點是社會不同特權階層相互交匯而形成的。
雖然這並不是一個很有吸引力的社會圖景，但這和宇宙結構形成的演化方式非常相似。稀薄地區的膨脹比宇宙整體要迅速得多，而稠密地區擴大得更慢一些。結果是，稀薄區域把稠密區域擠到了一邊，使得它們存在於從開始就一直膨脹的低密度區域的邊緣區域。瀰散區域中的氣體被耗盡，最終演變成空洞，這些低密度區域就像牧羊人驅趕羊群一樣，把物質驅趕到高密度區域，從而使自己的體積有所增長。
等級模型
在宇宙結構形成的演化過程中，物質的聚合方式。宇宙物質先是形成高密度纖維狀結構，之後是形成宇宙網，其中，最緻密的物質位於纖維相交的節點上。這些節點成為形成星系的基礎。這一過程不斷從小尺度到大尺度重複著，也即產生自下而上的等級模型。
當這樣的高密度區域相交時，高密度區域的纖維狀結構就會形成，其吸引力會把剩餘的大量物質吸引過來。越來越多的物質被限制在一個宇宙網上，這個宇宙網是由很薄但是緻密的片狀結構和圍繞著片狀結構的空洞區域構成的。宇宙網因此也變成了一個由纖維狀結構組成的網絡，在這個網絡中，最緻密的物質位於纖維相交的節點上。所以這一過程並不是一個簡單的球形坍縮，物質會先沿著片坍縮成纖維狀，而纖維相交形成節點（見圖5-2）。然後這些節點成為形成星系的種子。這一過程隨著時間持續進行著。小尺度結構形成後，這個模式在不斷增大的尺度上繼續重複。這就產生了自下而上的等級模型，在這個模型中，小的結構比大的結構更早形成，也就意味著小的星系先形成。
圖5-2
由物質構成的宇宙網的模擬圖。暗物質構成的纖維狀結構相交形成節點，而這些纖維狀結構又包含了暗的、相對空的空洞區域。非常亮的區域是星系團所在的地方，位於節點上。這是貝內迪克特·迪默（Bened-ikt Diemer）和菲利普·曼斯菲爾德（Philip Mansfeld）通過一個厚為18Mpc、邊長為179Mpc的數值模擬切片，利用了克勒（Kaehler）、哈恩（Hahn）和阿貝爾（Abel）在2012年研究出來的可視化算法，製作出來的暗物質密度投影圖像。
數值模擬在最大尺度上證實了這些預言，暗物質正確地解釋了宇宙中結構的密度和形狀。較小尺度上的差異可能會對這一理論的進一步改進提供線索，但我們將把這些不完全確定的預言、觀測和模型留到以後討論。有些模型或許可以解釋它們。
因為普通物質和暗物質同步坍縮，來自星系的輻射會追蹤暗物質較多的區域。就像世界各地的燈光繪製出了各個城市所在的位置一樣，宇宙中最亮的區域展示了星系中最為密集的區域，具有最多數量的恆星。輻射的強弱反映了整體的質量密度，就像世界上的光地圖反映了人口密度一樣。
然而要記住，就像光分佈一樣，與真實人口分佈相比，我們所看到的部分可能會有變化。暗物質和發光物質之間的比值依賴於星系的類型，例如矮星系、正常星系或星系團。無論如何，不管比值如何變化，只要有光的地方，就會有暗物質存在。對於驗證結構形成理論而言，這是一個很有價值的觀測工具。
銀河系，我們的保護傘
在結束這一章以及本書第一部分之前，現在讓我們轉向我們最為熟知的星系——銀河系，以及我們最為喜歡的恆星——太陽，看一下普通物質在它們中的分佈和影響。我們的星系因為具有乳白色的光帶而被命名為“銀河系”，這個光帶在晴朗乾燥的夜晚清晰可見。而我們所看到的光是銀河平面上的眾多暗星的光。
銀河系位於一個被稱為本星系群（Local Group）的星系群中。這是一個引力束縛的星系系統，它的密度要比宇宙的平均密度高。銀河系和仙女座星系主導了這個星系群的質量，但也有幾十個小星系屬於這個群，絕大多數是這兩個大星系的衛星。本星系群的引力束縛作用能夠防止因為宇宙膨脹而導致的銀河系和仙女座星系彼此遠離。它們的距離實際上是在收縮的，在大約40億年之後，它們將會碰撞並且合併。
銀河系有一個由氣體和恆星構成的盤，直徑大約13萬光年，在垂直方向上大約有2 000光年，這個平地狀的結構使其具有了獨特的形狀。銀河系盤包含了很多恆星和被稱為星際介質（interstellar medium）的物質。星際氣體由氫原子構成的氣體和小的固體塵埃顆粒組成，它的總質量大約為恆星總質量的1/10。現實中，在銀河系的中心附近聚集著銀河系大多數恆星，但我們並沒有真的看到更亮的光聚集於此，這是因為星際塵埃擋住了光。然而，天文學家在紅外波段看到了星系中心，這是因為塵埃沒有吸收這種頻率較低的光。銀河系的中心也包含著一個大約為400萬太陽質量的黑洞，有時也被稱為人馬座A*。
中心黑洞和暗物質是完全不同的東西。然而，暗物質確實存在於一個巨大的球形暈中，直徑大約是65萬光年。就尺寸和質量而言，銀河系中的最大組成部分，是一個重約一萬億太陽質量的近球形結構，它包括銀盤區域。就像所有星系一樣，暗物質首先凝聚，然後吸引可見的普通物質（見圖5-3）。
圖5-3
銀河系和它的中心核球、黑洞以及圍繞在其周圍的暗物質暈。太陽的位置也做了標記。
我還沒有描述盤形成的過程與形成的原因，以及為什麼這對“暗物質盤”這一提法以及小行星天體很重要（後文我將詳細論述）。普通物質很有趣，因為與暗物質相比，它在星系中有著非常不同的分佈。暗物質形成了一個瀰散的球形暈，而普通物質可以坍縮成一個盤，比如銀河系平面上熟悉的恆星盤。
普通物質與電磁輻射的相互作用導致了這一坍縮。普通物質和暗物質的一個重要區別是，普通物質可以產生輻射。如果沒有導致冷卻的輻射，普通物質將繼續和暗物質一樣保持瀰散狀態。實際上，因為普通物質的能量只有暗物質的1/5左右，它的緻密程度會比暗物質更低。然而，普通物質與光子的相互作用使得能量能夠耗散掉，從而冷卻，以致它能坍縮成為一個更集中的區域，也就是一個盤。通過光子輻射導致的能量損失很類似於蒸發的過程，水的汽化能夠從你的皮膚上帶走熱能。但與輻射能量的物質不同，當你出汗並體溫回歸正常時，你是不會坍縮的。然而，因為普通物質會釋放能量，氣體會坍縮，聚集在一個較小的塌陷區域中，在這塊區域中，它的密度比暗物質密度要高。
普通物質位於一個圓盤而不是一個小球體內，是因為物質的淨旋轉，而轉動是從氣體雲中繼承而來，氣體雲是從它們形成之初獲得角動量（轉動能量）。冷卻降低了一個方向的抵抗力，但在另外兩個方向上的坍縮是不允許的，或者至少因為所包含氣體的旋轉導致的離心力減緩了坍縮。如果沒有摩擦力或者其他力作用其上，在圓軌道上運動的一塊大理石將會永遠保持轉動。類似地，一旦物質開始旋轉，它將會保持角動量，直到一些力矩作用其上，或者角動量隨著能量一起被耗散掉。
由於角動量守恆，氣體區域在徑向（由旋轉所定義）不能像在豎直方向上一樣有效地坍縮。雖然物質在平行於旋轉軸的方向上或許會坍縮，但它不會在徑向坍縮，除非角動量通過某種方式被移除。這種差異性的坍縮導致了銀河系的相對扁平的盤狀結構，我們才會看到它伸展著穿過天空。上述原因也是導致大多數漩渦星系產生盤狀結構的主因。
太陽和太陽系
儘管暗物質在銀河系的淨質量中占主導地位，但集中在銀盤上的普通物質主導了在銀河系盤面上的各種物理過程。普通物質在結構形成開始的作用很有限，但因為其高密度以及核力和電磁力的相互作用，所以普通物質對於很多包括恆星形成的重要物理過程，都至關重要。
恆星是以核聚變為燃料，炙熱、緻密、被引力束縛的氣體球，在星系的氣體緻密區域形成。當氣體圍繞星系中心旋轉的時候，它就會碎裂成一些更為緻密的團塊，這些團塊會進一步坍縮。在暈中，那些坍縮到非常高密度的氣體就會形成恆星。
其中的一個氣體球——太陽，就是誕生於45.6億年前，它當時是一個充滿活力的系統，引力、氣體壓、磁場和角動量在其中都起著作用。包含幾乎和太陽系一樣古老物質的隕石已經被發現，而且許多博物館都有展品。太陽的位置非常靠近銀盤的中間平面，位於距離中心大約27 000光年的地方，在徑向上至少要比銀河系中3/4的恆星要遠。
像銀河系中的千億顆恆星一樣，太陽以每秒220公里的速度繞銀河系轉動。按照這種速度，它需要大約2.4億年才能完成一圈。由於銀河系的盤面不到100億歲，在這段時間內，其中的恆星轉了不到50圈。對於系統而言，這些時間足夠讓系統均勻化，表現出一些穩定的特點。但實際上，並不需要這麼長時間。
過去幾十年中，很多科學知識都得到了快速發展，太陽系和它的形成就是其中之一。像大多數恆星一樣，太陽和太陽系出現了一大團分子雲氣體，太陽周圍的天體運動很快，碰撞發生得很頻繁。大約在10萬年之後，系統坍縮形成一個原恆星（protostar，這時核聚變還沒有發生）和一個原行星盤（protostar disfz，這個盤最終會演變成太陽系內的行星和天體）。大約在5 000萬年之後，氣體氫開始發生聚核反應，我們認為這就是太陽的開始。太陽吞噬了絕大多數的星雲質量，但剩餘的一些物質將會保留在太陽周圍的盤上，這個盤最終會形成行星和太陽系天體，比如彗星和小行星。一旦太陽產生的能量能夠阻止引力收縮，太陽系就誕生了。
真正使我和我的合作者們感到驚訝的是，分子和重元素在冷卻氣體中發揮著關鍵作用，從而足以形成大多數恆星。重元素不僅僅對核燃燒很重要，它們對通過散射讓物質冷卻到某一溫度也至關重要，這時，燃燒甚至變成了一種選擇。形成類似太陽大小的恆星需要極端冷的溫度，大約幾十開爾文，過高溫度的氣體永遠不會變得足夠緻密，所以無法點燃核燃燒。而另外一個神奇的關聯存在於基本物理過程和宇宙的本質之間：如果沒有重元素和普通物質經歷的分子冷卻，產生太陽的氣體永遠不會冷卻下來。
在我開始新研究之後（與我之前的粒子物理學研究相比，新研究更多的是集中在對天文系統的細節研究上），我才真正理解了宇宙動態系統的美麗和一致性。星系形成、恆星產生、產生於這些恆星的重元素，以及恆星噴發出來的氣體，對恆星的進一步形成都有貢獻。儘管在人類時間尺度上看起來一切似乎都是靜態的，但宇宙和其中的一切都從未真正平靜過。不僅恆星是不斷演化的，而且星系也是如此。
本書第二部分將集中在太陽系，並討論小行星、彗星，它們的影響，以及生命的出現和消失。我們將會看到，在與人類直接相關的環境中，同樣的作用和變化模式也是成立的。