Sulla base di osservazioni moderne e di modelli cosmologici all’avanguardia per l’evoluzione primordiale, si stima che l’età dell’universo sia all’incirca di 13,8 miliardi di anni. La cosmologia è il campo di ricerca che studia l’evoluzione e la struttura dell’universo

Sulle scale più grandi (più di 300 milioni di anni luce), la materia nell’universo appare distribuita uniformemente. A causa di questa densità e struttura quasi uniformi, l’universo ci appare più o meno lo stesso in qualunque punto (omogeneo) e in ogni direzione (isotropo)

A causa della velocità finita della luce, non vediamo mai gli oggetti come sono ora, ma sempre come erano nel passato. Possiamo vedere il Sole solo com’era otto minuti fa, poiché la luce del Sole impiega circa otto minuti per raggiungerci. Vediamo la galassia di Andromeda com’era 2,5 milioni di anni fa, il tempo necessario alla sua luce per arrivare fino alla Terra. In tal senso, gli astronomi osservano sempre il passato, anche fino a 13,8 miliardi di anni fa. Osservare quindi oggetti astronomici a varie distanze ci fornisce uno spaccato della storia cosmica in diverse epoche. Poiché l’universo ha in media le stesse proprietà ovunque, questo spaccato ci fornisce indizi fondamentali anche sulla nostra stori

Poiché la luce viaggia nello spazio con velocità finita ci sono regioni distanti dell’universo che non possiamo ancora osservare. Questo accade solo perché la luce da quelle regioni non ha ancora avuto il tempo di raggiungere i nostri rivelatori sulla Terra. Possiamo vedere solo gli oggetti contenuti entro una regione specifica, chiamata “universo osservabile”, che include tutti gli oggetti la cui luce ha avuto il tempo necessario per raggiungerci. Di particolare interesse sono gli oggetti che si trovano ai confini più lontani di questa regione. Essi ci appaiono nella forma che avevano quando l’universo era appena iniziato.

Le stelle, l’aria che respiriamo, i nostri corpi e tutto quello che vediamo intorno a noi è composto da atomi, che a loro volta sono composti da protoni, neutroni ed elettroni. Questa materia è chiamata barionica ed è quella con cui interagiamo nella nostra vita quotidiana. Le osservazioni indicano che questa materia rappresenta solo il 5% del contenuto totale dell’universo, composto per la maggior parte da una forma ancora sconosciuta di energia che va sotto il nome di energia oscura (circa il 68%) e da una forma insolita di materia chiamata materia oscura (circa il 27%). La natura dell’energia oscura e della materia oscura sono aree di ricerca molto attuali, soprattutto grazie all’osservazione dell’influenza che esse hanno sulla materia barionica

Ci sono evidenze osservative che il tasso di espansione dell’universo sia in accelerazione e ciò è attribuito alla presenza di energia oscura. Mentre l’universo si espande sistematicamente a grandi scale, gli ammassi di galassie si allontanano gli uni dagli altri. Nei modelli moderni, tutte le distanze tra gli ammassi di galassie crescono in proporzione con lo stesso fattore di scala dell’universo. Dati osservativi mostrano che più distanti sono le galassie da noi e più velocemente ci appaiono allontanarsi (legge di Hubble-Lemaître). Ipotetici osservatori alieni in altre galassie osserverebbero lo stesso fenomeno. Sistemi legati, come gli ammassi e i gruppi di galassie tenuti insieme dalla propria gravità, o anche le galassie stesse, non sono influenzati dall’espansione cosmica. All’interno di ammassi e gruppi, singole galassie possono trovarsi in orbita le une intorno alle altre, oppure trovarsi in rotta di collisione, come sta accadendo per la Via Lattea e la galassia di Andromeda.

L’espansione cosmica influenza le proprietà della luce nell’universo. La luce che ci raggiunge dalle galassie distanti risulta arrossata (redshift - spostamento verso il rosso) proporzionalmente all’aumentare della distanza. Questo redshift cosmologico può essere spiegato direttamente in termini di lunghezze d’onda della luce che aumentano con il fattore di scala cosmico. Per questo motivo le galassie lontane possono essere osservate solo nell’infrarosso o nella banda radio e la radiazione cosmica di fondo è più intensa nella banda delle microonde.

Sono stati ideati molti studi e verifiche per capire se le leggi fondamentali della fisica, come per esempio le leggi che governano la gravità, la termodinamica e l’elettromagnetismo, sono le stesse sulla Terra e nell’universo lontano. Finora, tutte queste verifiche indicano che le leggi fondamentali della fisica si applicano in tutto l’universo conosciuto.

Grandi survey delle distanze nell’universo hanno rilevato che, a grandi scale, dell’ordine di alcune centinaia di milioni di anni luce, l’universo assomiglia a una rete tridimensionale di filamenti e vuoti simile a una spugna, che gli astronomi chiamano “la ragnatela cosmica”. Filamenti e piani contengono milioni di galassie. Queste strutture a grande scala si estendono per centinaia di milioni d’anni luce e sono tipicamente spesse decine di milioni di anni luce. I filamenti e i piani definiscono i vuoti, che hanno diametri dell’ordine del centinaio di milioni di anni luce e contengono solo pochissime galassie.

La radiazione elettromagnetica più antica, emanata dalle regioni più distanti dell’universo che possiamo osservare, è detta “radiazione cosmica di fondo”. È ciò che rimane dell’universo primordiale, caldo e denso, l’impronta delle informazioni che risalgono a un’epoca in cui l’universo aveva circa 380.000 anni. Il fondo cosmico a microonde ci permette di misurare alcune caratteristiche fondamentali dell’universo nel suo insieme: la quantità di materia oscura, di energia oscura e di materia barionica che esso contiene, la sua geometria e il suo tasso di espansione attuale. Il fondo cosmico a microonde mostra che l’universo è quasi isotropo e pertanto fornisce una prova indiretta di omogeneità

Secondo gli indizi più chiari finora a disposizione, più di 13 miliardi di anni fa tutta la materia e l’energia che vediamo intorno a noi erano contenute in un volume più piccolo di un atomo. L’universo si è espanso da questa fase di altissima densità e temperatura (fase del Big Bang) fino al suo stato attuale. I modelli che descrivono l’espansione dell’universo sono chiamati “LambdaCDM” (dove Lambda sta per la componente di energia oscura dell’universo e CDM per materia oscura fredda, Cold Dark Matter in inglese). La fase nota come Big Bang, nonostante il nome, non rappresenta un’esplosione in cui la materia viene scagliata in uno spazio preesistente vuoto. Tutto lo spazio disponibile era già pieno di materia fin dall’inizio ma la densità media di questa materia è diminuita a mano a mano che lo spazio si è espanso. A partire da quando le galassie si sono formate, la distanza media tra esse ha continuato ad aumentare. Il modello del Big Bang fornisce numerose previsioni verificabili sull’universo attuale: la maggioranza di esse è stata confermata dalle osservazioni.