后发座星系团。Adam Block / 莱蒙山天空中心 / 亚利桑那大学
1930年代——暗物质
人们一直以来都认为，如果我们能够测出所有恒星的质量，再加上气体和尘埃，便能够获知宇宙中究竟有多少物质。但是弗里茨·兹威基在观察了高密度星系团（如上图的后发座星系团）后发现，恒星和我们所知的“普通物质（如原子）”质量总和不足以解释这些星系团内部的高速运动。他称这些缺失的质量为“dunkle materie”，也就是德语的“暗物质”。人们直到1970年代，在对普通物质有了更好的了解后，才对这方面的观察加以重视。暗物质广泛地分布在各个星系中。据我们现在所知，它们和普通物质的比例高达5比1。
1940年代——宇宙大爆炸
在这个时期，虽然大量的实验和观测资源涌向间谍卫星、导弹和核技术的研发领域，理论物理学家也没有停止努力。1945年，乔治·伽莫夫根据宇宙的膨胀学说，作了一个大胆的推论：假如宇宙今天在持续地膨胀和冷却，那它必然有一个炽热和致密的过去。继续追溯宇宙的过往，必然存在一个炽热和致密到中性原子无法存在的时期，在此之前，连原子核也无法存在。如果确实是这样，那么在宇宙中第一颗恒星诞生之前，宇宙必然是由数种最轻的元素按一定的比例构成的，那么到了今天，在宇宙的所有方向上，必然渗透着大爆炸的余晖，它的温度必然只比绝对零度高了那么一点。这个理论框架就是今天我们所知的“宇宙大爆炸”，而这个伟大的观点就出自1940年代。
1950年代——重元素从何而来
与大爆炸竞争的便是霍伊尔的恒温宇宙学说。这个学说中最引人注目的观点是，他认为今天的所有重元素并非是在宇宙早期形成的，而是由前几代恒星制造出来的。在霍伊尔和剑桥大学其他学者的努力下，人们从细节上了解了这些元素是如何在恒星内部的核聚变反应中出现的。最突出的一点是，他们认为氦聚变为碳的方式是人们前所未见的：3α过程（氦原子核又被称为α粒子），这一过程产生的碳，其存在的方式是一种新的状态。这种新的状态在数年后被别的科学家发现，今天被称为“碳的霍伊尔状态”。由此我们知道，今天地球上的所有重元素，都源自前几代的恒星。
1965年发现的宇宙微波背景。NASA / WMAP科研小组
1960年代——宇宙微波背景
在经历了20年的争论后，人们获得了能够决定宇宙历史的关键性发现——预言中的大爆炸余辉，也就是宇宙微波背景。这个统一的、温度只有2.725K的余辉是1965年由阿诺·彭齐亚斯和威尔逊发现的，但当时他们都没有意识到。直到这一幅射的完整黑体频谱及其涨落被测定之后。
