每颗恒星的平均重量约为10^35克。因此,它们的总质量约为10^58克(即1.0 x 10^52公吨)。由于已知每克物质有大约10^24个质子,或者说与氢原子的数目大约相同(因为一个氢原子只有一个质子),那么氢原子的总数大约是10^86 。
在可观测的宇宙中,这种物质均匀地分布在整个太空中,至少当平均距离超过3亿光年时如此。然而,在更小的尺度上,我们会观察到,这些物质会形成我们都熟悉的恒星——层次分明的发光物质团块。
简而言之,许多原子被压缩成恒星,许多恒星被压缩成星系,许多星系又被压缩成星系团,进而许多星系团被压缩成超星系团,最后,被压缩成最大尺度的结构,如星系长城(又名“斯隆长城”)。在较小的尺度上,这些团块被尘粒云、气体云、小行星和其他恒星物质形成的小团块所渗透。
图解:跨越137亿年以上的宇宙时间线,以及随后宇宙的膨胀。资料来源:NASA/WMAP科学团队。
宇宙的可观测物质也呈等轴分布,这意味着没有任何观测方向看起来与其他方向不同,空中的每个区域包含的物质都大致相同。宇宙也处于高各向同性的微波辐射中,这相当于大约2.725开尔文(略高于绝对零度)的热平衡。
一假说认为从大尺度来看,宇宙是均匀的、各向同性,它被称为宇宙学原理。这表明物理定律在整个宇宙中起着统一的作用,因此,在大尺度结构中不应该产生可观察到的不规则现象。由于宇宙由最初的大爆炸形成,这一理论得到了有助于绘制宇宙结构演化图的天文观测的支持。
科学家们目前的共识是,绝大多数物质都是在大爆炸中产生的,而自那以后宇宙的膨胀并没有给这个平衡增加新的物质。相反,人们相信,在过去137亿年里发生的只是最初形成的物质的膨胀或分散。也就是说,在膨胀的过程中没有加入任何一开始不存在的物质。
然而,爱因斯坦的质能方程给这个理论提出了一个稍微复杂的问题。这是狭义相对论的一个推论,在狭义相对论中,物体的能量的增加导致其质量的增加。在所有的聚变和裂变之间,原子有规律地从粒子转化为能量,然后再转化回来。
图解:左边(实验开始时)的原子密度比模拟大爆炸80毫秒后的要大。来源:Chen-Lung Hung
然而,从大的尺度观察,宇宙的总体物质密度不随时间推移而改变。目前可观测宇宙密度的估计值非常低,大约为9.9 × 10-30克 /立方厘米。这种质能约由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和4.9%的普通(发光)物质组成。因此,原子的密度大约是每四立方米体积存在一个氢原子。
暗能量和暗物质的性质在很大程度上是未知的,它们可以像普通物质一样均匀分布或成团。然而,人们相信暗物质和普通物质一样受引力作用,从而减缓宇宙的膨胀。相比之下,暗能量却加速了宇宙的膨胀。