宇宙学是从整体上研究宇宙的科学，研究内容包括宇宙的大尺度性质、物质与能量组成、起源、演化及可能的未来。它将天文学与物理学联系起来，通过观测和数学模型重建宇宙的历史。与主要关注单个天体的研究不同，宇宙学探讨这些天体在不断演化的宇宙中处于怎样的位置。其核心理论框架描述了宇宙从早期高温、高密度状态开始膨胀，以及宇宙结构随之形成和发展的过程。(jpl.nasa.gov)
现代宇宙学的发展
现代物理宇宙学以阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论为基础发展起来，这一理论使宇宙的几何性质和演化成为可以定量研究的课题。亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特在20世纪20年代建立了动态宇宙学模型。观测则提供了独立的依据：维斯托·斯里弗测量了旋涡星云的光谱位移，埃德温·哈勃则证实，一些星云其实是银河系以外的星系。1929年，哈勃发表了星系距离与退行速度相关的证据。(science.nasa.gov)
1965年发现的宇宙微波背景为大爆炸理论框架提供了有力支持。此后的测量使宇宙学发展为一门精密的观测学科。1998年，两个研究遥远超新星的团队报告了宇宙膨胀正在加速的证据，促使宇宙学模型引入暗能量。(science.nasa.gov)
几何与膨胀
广义相对论通过时空的几何性质描述引力。宇宙学模型将爱因斯坦场方程应用于宇宙中的物质和辐射。作为一种简化假设，宇宙学原理认为，足够大的区域在平均性质上具有统计意义上的相似性：不同位置之间是均匀的，不同方向之间是各向同性的。这并不意味着宇宙在恒星或星系尺度上也是均匀的。(map.gsfc.nasa.gov)
宇宙膨胀用尺度因子表示，它描述了参与宇宙膨胀的各个位置之间的距离如何随时间变化。随着空间膨胀，传播中的光被拉伸到更长的波长，从而产生宇宙学红移。在相对较小的宇宙学距离上，退行速度近似与距离成正比。当前的比例系数称为哈勃常数；膨胀率并不一定在整个宇宙历史中保持不变。(arxiv.org)
大爆炸理论框架描述的是一个不断演化的高温、高密度宇宙，而不是在预先存在的空间中确定某个爆炸地点。其理论基础涉及模型所描述的整个宇宙中几何性质与物质的演化。(map.gsfc.nasa.gov)
热历史与结构形成
膨胀使早期宇宙逐渐冷却。在最初的几分钟内，核合成产生了轻元素的原子核，其中包括大部分原初氦。在高温膨胀开始约38万年后，宇宙中的条件使原子核能够俘获电子，形成中性原子。这一过程称为复合，它大幅减少了自由电子对光的散射，使辐射能够传播到很远的距离。(science.nasa.gov)
这些辐射留存至今，成为目前观测温度约为2.7开尔文的微波背景。其微小的温度起伏保存了有关早期密度涨落以及宇宙结构形成初始条件的信息。宇宙暴胀理论提出，宇宙在更早时期曾经历一段极其迅速的膨胀。其预言与微波背景的一些重要特征相符，但造成暴胀的物理机制仍不清楚。(science.nasa.gov)
引力放大了最初的密度差异。气体在密度较高的区域聚集，最终形成了最早的恒星和星系。随后，这些天体发出的辐射在再电离时期使周围的大量氢发生电离。星系和星系际气体的分布保留了早期物理过程留下的可测量痕迹。(science.nasa.gov)
标准宇宙学模型
广泛使用的Λ冷暗物质模型简称ΛCDM，将普通物质、辐射、暗物质以及代表暗能量的宇宙学常数纳入同一模型。“冷”指暗物质在结构形成时期的运动速度远低于光速。该模型将宇宙的膨胀历史、物质涨落的增长和微波背景的统计性质联系起来。(arxiv.org)
在基础ΛCDM模型下对普朗克测量结果进行解释，可得宇宙年龄约为138亿年。取整后的估计值表明，在宇宙目前的总能量密度中，普通物质约占5%，暗物质约占27%，暗能量约占68%。这些估计依赖于模型，并非对宇宙中每一种成分逐一直接清点的结果。暗物质与暗能量在物理性质上截然不同：前者参与引力聚集，后者则在这一框架中解释宇宙的加速膨胀。(wiki.cosmos.esa.int)
观测方法
宇宙学家综合多种独立观测，而非依赖单一测量。微波背景的温度和偏振图样可用于约束早期宇宙的条件及宇宙学参数。光谱学测量星系的红移，使巡天观测能够描绘宇宙历史中不同时期的物质分布。星系的聚集分布中保留着重子声学振荡的遗迹，其特征尺度可作为测量宇宙距离的标准尺。(science.nasa.gov)
其他测量则探查同一模型的不同方面。Ia型超新星提供了研究宇宙膨胀所需的距离信息，而引力透镜则通过物质对背景光线的弯曲和畸变作用揭示物质的存在。对比这些探测手段的结果，可以检验某个宇宙学模型能否同时解释宇宙的几何性质和物质分布。(science.nasa.gov)
尚未解决的问题
一个突出的分歧称为哈勃张力：在ΛCDM框架内，根据早期宇宙观测推算出的膨胀率，与通过某些近邻宇宙距离测量方法得到的膨胀率存在差异。可能的解释包括测量中的系统误差或额外的物理机制；这一差异本身并不足以确立一个替代性的宇宙学模型。(science.nasa.gov)
其他问题涉及暗物质究竟是什么、暴胀的物理起源，以及暗能量是否随时间保持不变。宇宙的长期演化部分取决于暗能量的性质：持续稀释和冷却、再次坍缩，以及更极端的膨胀情景，都需要不同的物理假设。因此，确定暗能量的这些性质，也是探索宇宙可能未来的一种途径。(science.nasa.gov)