“两暗”指通过对超新星、星系、星系团、星系际介质、宇宙背景辐射等宇宙探针的观测和统计，以及空间高能伽马射线和带电粒子的直接探测，研究挑战近代物理基本框架的宇宙暗能量、暗物质的物理本质，进而深入理解星系及可观测宇宙的起源、演化历史和物理规律。此外，在星系、恒星和行星层次，研究重点为银河系结构、子结构和形成历史、大质量恒星形成、超新星爆发、伽马射线暴、中等质量黑洞以及致密天体，搜寻系外类地行星和生命存在的可能性。20世纪60年代，天文学家假设宇宙的质量可能超过可观测的质量。华盛顿卡内基研究所的天文学家沃拉·鲁宾对星系内不同位置的恒星速度进行研究，发现处于星系中央的恒星速度几乎与外侧恒星的速度没有显著差异。这一发现似乎有悖于基本的牛顿物理学定律。按照牛顿的物理学定律，星系外侧的恒星速度应该更慢。天文学家用一种看不见的质量解释这一现象，也就是暗物质。虽然看不到，暗物质也拥有质量，研究人员根据其对可见物质产生的引力推断暗物质的存在。阿德里安表示：“科学家仍不知道暗物质是什么”，即使有望在不久后发现暗物质粒子，天文学家也无法在短期内确定这种神秘物质的特性。20世纪20年代，天文学家爱德文·哈勃认为宇宙并非静止不动，而是不断膨胀的。1998年，哈勃太空望远镜对遥远超新星进行研究，认为宇宙在很久以前的膨胀速度低于现在。这种现象让科学家陷入困惑之中，长久以来一直认为物质的引力可以逐渐减缓宇宙的膨胀速度，甚至能够导致宇宙收缩。对宇宙加速膨胀进行解释促使科学家提出暗能量理论，正是这种能量导致宇宙加速膨胀。科学家认为暗能量难以捉摸，并一直未能直接观测到它的存在。科学作家阿德里安·乔表示：“暗能量可能永远不会暴露其本来面目”。

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