La edad estimada del Universo, basada en observaciones modernas y en los más recientes modelos cosmológicos para su evolución temprana, es de aproximadamente 13.800 millones de años. La cosmología es un campo de investigación que estudia la evolución y la estructura del Universo.
A las mayores escalas (aproximadamente más de 300 millones de años-luz), la materia en el Universo parece estar distribuida uniformemente. Debido a esta densidad y estructura casi uniforme, el Universo se ve casi igual en cualquier lugar (homogéneo) y en todas las direcciones (isotrópo).
Debido a la velocidad finita de la luz, nunca vemos los objetos como son ahora, sino siempre como eran en el pasado. Solo podemos ver el Sol como era hace unos ocho minutos, ya que la luz del Sol tarda unos ocho minutos en llegar a nosotros. Vemos la galaxia Andrómeda como era hace unos 2,5 millones de años, ya que la luz de la galaxia tarda ese tiempo en llegar a la Tierra. Es de esta forma que los astrónomos siempre observan el pasado, incluso hasta hace 13.800 millones de años. Observar objetos astronómicos a varias distancias proporciona una sección transversal de la historia cósmica. Dado que en promedio, el Universo tiene las mismas propiedades en todas partes, esta sección transversal proporciona valiosas pistas sobre nuestra propia historia.
Dado que la luz viaja en el espacio a una velocidad finita, hay regiones distantes del Universo que aún no podemos observar. La razón de esto es simplemente que la luz de esas regiones no ha tenido suficiente tiempo para llegar a nuestros detectores en la Tierra. Solo podemos ver los objetos que se encuentran dentro de una cierta región llamada “Universo Observable”, que incluye todos los objetos cuya luz ha tenido el tiempo necesario para llegar a nosotros. De particular interés son los objetos muy distantes, cerca de la frontera de esa región. Estos nos aparecen en la forma que tenían cuando el Universo acababa de empezar.
Las estrellas, el aire que respiramos, nuestros cuerpos y todo lo que vemos a nuestro alrededor está formado por átomos, que a su vez están compuestos de protones, neutrones y electrones. Esta llamada materia bariónica es con la que interactuamos en nuestra vida diaria. La evidencia observacional muestra que representa solo cerca del 5% de la composición total del Universo. De hecho, el Universo está compuesto principalmente por una forma desconocida de energía, conocida como energía oscura (alrededor del 68%), y una forma inusual de materia llamada materia oscura (alrededor del 27%). La naturaleza de la llamada energía oscura y materia oscura es un área activa de investigación, especialmente a través de las observaciones de su influencia sobre la materia bariónica.
La evidencia observacional muestra que el Universo se está expandiendo a un ritmo acelerado, observación atribuída a la energía oscura. Ya que el Universo se expande de forma sistemática a gran escala, los cúmulos de galaxias se alejan unos de otros. En los modelos modernos, todas las distancias entre cúmulos de galaxias crecen en proporción al mismo factor de escala universal. Los datos observacionales muestran que cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido se aleja de nosotros (Ley de HubbleLemaître). Observadores alienígenas hipotéticos en otras galaxias detectarían lo mismo que nosotros. Los sistemas vinculados, como los cúmulos de galaxias, y los grupos de galaxias ligados por su propia gravedad, o las galaxias mismas, no se ven afectados por la expansión cósmica. Dentro de los cúmulos y grupos de galaxias, las galaxias individuales pueden estar orbitando entre sí, o pueden estar en curso de colisión. Esto último ocurre para la Vía Láctea y la galaxia Andrómeda.
La expansión cósmica influye en las propiedades de la luz en el Universo. La luz que nos llega de galaxias distantes se desplaza cada vez más al rojo a medida que aumenta la distancia. Este corrimiento al rojo cosmológico puede entenderse directamente en términos de las longitudes de onda de la luz que aumentan (estiramiento a longitudes de onda más largas) con el factor de escala cósmica. Es por eso que las galaxias distantes solo pueden ser observadas en las bandas infrarojas o de radio, y la razón por la cual la Radiación Cósmica de Microondas nos llega mayormente en el régimen de microondas.
Se han realizado muchas pruebas para ver si las leyes de la física, como las leyes que rigen la gravedad, la termodinámica y el electromagnetismo, son las mismas en la Tierra y en el Universo distante. Hasta ahora, todas las pruebas indican que las leyes fundamentales de la física aplican en todo el Universo.
Los estudios a gran escala del desplazamiento al rojo del Universo han revelado que a grandes escalas, del orden de pocos cientos de millones de años-luz, el Universo se asemeja a una red tridimensional, similar a una esponja, de filamentos y vacíos, que los astrónomos denominan la “red cósmica”. Los filamentos y las laminas contienen millones de galaxias. Estas estructuras a gran escala se extienden por cientos de millones de años-luz y suelen tener decenas de millones de años-luz de espesor. Los filamentos y las láminas forman fronteras que bordean vacíos, los cuales tienen un diámetro del orden de cientos de millones de años-luz, y contienen solo muy pocas galaxias.
La radiación electromagnética más antigua, que emana de las regiones más distantes del Universo que podemos observar, es la radiación del Fondo Cósmico de Microondas. Es la reliquia que queda del caliente y denso Universo temprano, impresa con información de una época en la que el Universo tenía unos 380.000 años de edad. El Fondo Cósmico de Microondas nos permite medir las características claves del Universo como un todo: la cantidad de materia oscura, materia bariónica y energía oscura, su geometría y su actual tasa de expansión. El Fondo Cósmico de Microondas muestra que el Universo es prácticamente isotrópo y por lo tanto también proporciona evidencia indirecta de homogeneidad.
De acuerdo a la mejor evidencia disponible hasta ahora, toda la materia y la energía que vemos a nuestro alrededor estaban contenidas en un volumen menor que un átomo hace más de 13.000 millones de años. El Universo se expandió desde esta fase de muy alta densidad y temperatura (fase de Big Bang) hasta su estado actual. Los modelos que describen el Universo en expansión se conocen como LambdaCDM (donde Lambda representa la componente de energía oscura del Universo, y CDM la materia oscura fría, Cold Dark Matter en inglés). La fase de Big Bang, a pesar de su nombre, no fue una explosión en la que la materia es arrojada al espacio vacío previamente existente. Todo el espacio disponible se llenó de materia desde el principio y, al aumentar el espacio, la densidad media de la materia ha disminuído desde entonces. Desde que se formaron las galaxias, las distancias medias entre ellas han ido aumentando constantemente. El modelo del Big Bang hace numerosas predicciones comprobables sobre nuestro Universo actual, la mayoría de las cuales han sido confirmadas mediante datos observacionales.
