宇宙学是天体物理学的一个分支，专注于宇宙的大尺度结构和其形成与演化的基本问题。该领域的研究对象包括天体运动及其初始原因，在过去曾属于形而上学的范畴。宇宙学的科学基础起源于哥白尼的日心说和牛顿的万有引力定律，它们表明天体和地球上的物体遵循相同的物理规律，并解释了天体的运动。现在，这一分支被称为天体力学。物理宇宙学的起源可以追溯到二十世纪，得益于爱因斯坦的广义相对论和对遥远天体的天文观测。
二十世纪的科技进步使得对宇宙起源的探索成为可能。它也助力建立了被大多数宇宙学家接受为理论和观测基础的大爆炸理论。（尽管有些职业宇宙学家认为大爆炸理论为观测提供了最佳解释，但仍有少数人支持其他宇宙学理论，如等离子体宇宙学和稳恒态宇宙学。）粗略地说，物理宇宙学处理的是宇宙中最大的物体（如星系、星系团、超星系团）、最早形成的物体（如类星体）以及几乎均匀分布在最早期宇宙中的物质（如大爆炸、宇宙膨胀、微波背景辐射）。
宇宙学是一门独特的学科，它从粒子物理实验、粒子物理的唯象学，甚至弦理论中吸取了许多成果。它的其他来源还包括天体物理、广义相对论和等离子体物理的研究。
现代宇宙学是基于观测和理论的发展起来的。1915年，爱因斯坦提出了广义相对论。由于当时的物理学家普遍认为宇宙是静态的、无始无终的，爱因斯坦在他的方程中引入了一个宇宙学常数项。这个稳恒态的爱因斯坦宇宙模型是不稳定的，最终总会膨胀或收缩。广义相对论的宇宙学解是由弗里德曼发现的，现在被称为弗里德曼-罗伯森-沃克宇宙。它描述的是宇宙的膨胀或收缩。
1910年，斯里菲和威兹利用多普勒效应来解释观测到的旋涡星云的红移，这意味着这些星云正在远离我们。尽管人们可以测量天体的视大小，但要确定它们的实际大小和亮度非常困难，这使得测量天体的距离变得异常困难。斯里菲和威兹没有意识到这些星云实际上是河外星系，也没有意识到这个发现对宇宙学的意义。1927年，比利时天主教神父勒梅特独立发现了弗里德曼-罗伯森-沃克解，并在旋涡星云的观测基础上提出了宇宙起源于原初原子爆炸的假说。1929年，哈勃为这个假说提供了观测依据。他证明了旋涡星云是一些星系，并通过观测仙王座变星来测量了它们的距离。他同时还发现了星系红移与亮度之间的关系，认为这一关系的起源是因为在所有方向上星系离我们远去的速度正比于它们的距离。这个关系被称为哈勃定律，虽然直到最近才被确认，但哈勃的数据误差很大。
根据宇宙学原理，哈勃定律意味着宇宙正在膨胀。有两种可能解释这一现象，一种是由伽莫夫提出的大爆炸理论，另一种是霍伊尔的稳恒态模型。在稳恒态模型中，星系互相远离时不断有新物质产生，宇宙在任何时间都是大致相同的。
多年来，这两种理论各有支持证据。但是从1965年发现微波背景辐射以来，观测结果越来越倾向于支持大爆炸理论。1960年代以前，许多宇宙学家认为弗里德曼宇宙开始时的无限致密奇点是数学上的理想化，宇宙也应在达到这个热致密状态之前从收缩转换到重新膨胀。这就是托尔曼的振荡宇宙模型。但是，霍金和彭罗斯证明了这个模型是不可能工作的，他们指出了奇点是广义相对论的一个特性。从此以来，大多数宇宙学家开始接受宇宙在有限时间以前开始演化的大爆炸理论。
以下是宇宙学研究的一些最活跃领域，大致按时间顺序排列。这个列表不包括大爆炸宇宙学，但可以参考宇宙时间表。
1. 极早期宇宙
尽管大爆炸理论能够解释从大约10^-33秒开始的早期热宇宙，但它面临着许多挑战。其中之一是当前的粒子物理理论无法为宇宙的平坦性、均匀性和各向同性提供一个令人满意的答案。另外，大统一模型预测了宇宙中存在磁单极，它们还没有被观测到。宇宙膨胀解决了这些问题。它的物理模型虽然简单，但尚未得到粒子物理的证实，其主要难点在于如何协调它与量子场论的矛盾。一些宇宙学家认为弦理论和膜宇宙学能为解决宇宙学原理提供另一方案。
宇宙学的另一个主要问题是解释为什么粒子要多于反粒子。X射线观测表明宇宙不是由物质和反物质的区域组成的，其主要组成是物质。这个问题称为重子不对称性，解释这种现象的理论称为重子产生。重子产生理论是由萨哈罗夫于1967年提出的，它的必要条件包括物质和反物质间的电荷-宇称对称性的破缺。粒子加速器只观测到很小的电荷-宇称对称破坏，不能解释宇宙的重子不对称性。宇宙学家和粒子物理学家希望能发现电荷-宇称破坏的其他来源。
重子产生和宇宙膨胀都与粒子物理有密切的联系。这些问题的解决答案可能会出现在高能理论和实验，而不是天文观察中。
2. 大爆炸核合成过程
大爆炸核合成是关于元素在早期宇宙形成的理论。当宇宙演化到大约三分钟时，它已经足够冷却，这时核聚变及核合成过程就结束了。因为大爆炸核合成过程持续的时间非常短暂，从氢离子（质子）出发，它的主要合成产物是轻元素如氘、氦-4和锂。其他元素则极为微量。（重元素主要是由星体如超新星中的核反应形成的。）虽然在1948年伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼就已经提出了这个理论的基本观点，但由于轻元素的丰度与早期宇宙的物理性质密切相关，它至今仍然是检验大爆炸时期物理理论的极灵敏的探针。例如，它可以用来检验等效原理、暗物质和中微子物理。
3. 宇宙微波背景辐射
宇宙微波背景辐射是指退耦过程（即大爆炸所产生的辐射停止与带电离子的汤普生散射及原子第一次形成这一过程）所残余的辐射。这种辐射由彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现。它具有几乎完美的2.7K黑体辐射谱，只在十万分之一内偏离各向同性。宇宙学家们可以用描述早期宇宙细微起伏演化的宇宙学微扰理论来精确地计算辐射的角度功率谱。最近的卫星（COBE和WMAP）和地面及气球（DASI，CBI和Boomerang）实验也测量了此功率谱。这些工作的目的是为了更精确地测量∧-冷暗物质模型的参数，同时也为了检验大爆炸模型和新物理模型的预言。例如，最近WMAP的测量就为中微子的质量提供了限制。
更新的实验的目的则是测量微波背景谱的极化。它将为微扰理论提供更多的证据，也将为宇宙暴涨和所谓的次级非各向同性（如由背景辐射和星系、星系团相互作用引起的散亚耶夫-泽尔多维奇效应和萨克斯-沃尔夫效应）提供信息。
4. 大尺度结构的形成和演化
理解最早和最大结构（如类星体、星系、星系团和超星系团）的形成和演化是宇宙学的核心课题之一。宇宙学家们研究的是一种由下至上有层次的结构形成模型。在此模型中，小物体先形成，而大的物体如超星系团还在形成过程中。研究宇宙中结构最直截了当的方法是普查可见的星系，从而构造一个星系的立体图像并测量物质功率谱。这就是斯隆数码天空普查和2dF星系红移普查的研究方案。
理解结构形成的一个重要工具是模拟。宇宙学家们用它来研究宇宙中物质的引力堆积和线状结构，超星系团和空洞的形成。因为宇宙中冷暗物质要比可见的重子物质多许多，所以大多数模拟只计入它们。这种处理对理解最大尺度的宇宙是足够了。更先进的模拟已经开始计入重子的效应，它们也开始研究星系的形成。宇宙学家们检查这些模拟是否与星系普查的结果一致。如果不一致，则研究偏差的原因。
宇宙学家还用其他互补的方法来测量宇宙遥远处的物质分布和重离子化过程。这些方法包括：
莱曼阿尔法谱线森林。通过测量气体对遥远类星体所发射光的吸收来测量早期宇宙中中性氢原子的分布。
中性氢原子的21厘米吸收线也提供了灵敏的测试。
由于暗物质的引力透镜效应而引起的对遥远物象的扭曲，即所谓的弱透镜效应。
这些方法都将帮助宇宙学家解决第一颗类星体如何形成这一问题。
5. 暗物质
大爆炸核形成、宇宙微波背景辐射和结构形成的研究证据表明了宇宙质量的25%是由非重子的暗物质组成的，而可见的重子物质只占宇宙质量的4%。作为星系周围晕环中的一种冷的、非辐射性的尘埃，暗物质的引力效应已经被了解得很透彻，但其粒子物理性质还是个谜，人们从没有在实验室中观察到它们。暗物质的可能候选包括稳定的超对称粒子、弱作用重粒子
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