未解问题

第一代恒星（第三星族）是什么样子的？

第一代恒星由没有金属冷却的纯氢氦气体形成，模型预测它们质量巨大（数十到数百倍太阳质量）且寿命短暂，播撒了最早的重元素，可能还有最早的黑洞。迄今尚未有直接观测。

快速射电暴（FRB）由什么产生？

来自星系际距离的毫秒级射电闪焰携带着相当于太阳数日输出的能量。目前已编目数千个事件；部分重复爆发，多数不重复。磁星已被证实是至少一次爆发的来源，但它们能否解释整个族群——尤其是看似不重复的多数——仍未确定。

中子星内部物质的状态方程是什么？

中子星核心把物质压缩到核密度的数倍——这是实验室无法达到的区域。状态方程决定最大质量、半径、潮汐可变形性，以及核心是否含超子、夸克物质或新相。

第一批超大质量黑洞如何增长得如此之快？

由约10^9倍太阳质量黑洞驱动的类星体在z > 7、大爆炸后不到8亿年时已存在。以爱丁顿极限吸积的恒星残骸种子无法增长得足够快，促使理论转向“重种子”——直接坍缩黑洞或致密星团中的失控并合。

暗能量的本质是什么？

1998年对遥远超新星的观测表明宇宙正在加速膨胀。导致这一现象的未知因素——约占宇宙能量预算的68%——被称为暗能量，但我们尚不清楚它究竟是宇宙学常数、某种动力学场，还是广义相对论在大尺度上失效的迹象。

暗物质由什么粒子（或天体）组成？

星系旋转曲线、引力透镜、子弹星系团和CMB都要求引力质量约为可见重子物质的五倍。暗物质究竟是弱相互作用粒子、轴子、原初黑洞族群还是其他东西，至今未能确定。

为什么早期与晚期宇宙测得的H₀不一致？

在ΛCDM框架下由CMB推得的现今膨胀率（~67.4 km/s/Mpc）与用造父变星和超新星建立的距离阶梯测量值（~73 km/s/Mpc）相差约5σ。要么双方仍存在系统误差，要么标准宇宙学模型并不完整。

为什么物质比反物质多？

可观测宇宙中几乎没有原初反物质：每约10^9个光子对应大约一个重子，而没有反重子。萨哈罗夫指出这需要重子数破坏、C/CP破坏和非平衡过程——但标准模型中测得的CP破坏远远不够。

如何调和引力与量子力学？

广义相对论描述光滑的时空几何，量子力学描述固定背景上的概率场。两者在普朗克尺度——黑洞内部与宇宙大爆炸——发生冲突，目前尚无任何量子引力理论得到实验检验。

超高能宇宙线来自何处？

探测到的能量超过10^18 eV的带电粒子——包括接近10^20 eV的事件，即单个亚原子粒子携带宏观尺度的能量——必然由宇宙中最极端的天体加速产生。候选源包括AGN喷流、伽马射线暴和磁星，但磁场偏转会打乱其来向。

生命最初通过什么途径从化学中产生？

生命在地球变得宜居后约5亿年内出现——快得惊人。但从益生化学到第一个自我复制、有区室化、有代谢的系统的桥梁仍未建成：我们能分别制造核苷酸和原始细胞，却从未让它们共同自维持地出现。

大家都在哪里？费米悖论与技术信号搜寻

银河系足够古老且广阔，即使缓慢的星际殖民也应填满它——然而天空一片寂静。这一悖论可通过前方或后方的“大过滤器”、智慧的稀缺性、我们搜寻方式的错误，或文明寿命短暂来解释。