L'âge estimé de l'Univers, basé sur des observations modernes et sur des modèles cosmologiques de pointe pour son évolution précoce, est d’approximativement 13.8 milliards d'années. La cosmologie est un domaine de recherche qui étudie l'évolution et la structure de l'Univers.
Aux plus grandes échelles, la matière de l'Univers semble être uniformément répartie. En raison de cette densité et de cette structure presque uniformes, l'Univers est presque identique à n'importe quel endroit (homogène) et dans toutes les directions (isotrope).
En raison de la vitesse finie de la lumière, nous ne voyons jamais les objets tels qu'ils sont maintenant, mais toujours tels qu'ils étaient dans le passé. Nous pouvons seulement voir le Soleil tel qu'il était il y a environ huit minutes, car la lumière du Soleil met environ huit minutes pour nous atteindre. Nous voyons la galaxie d'Andromède telle qu'elle était il y a environ 2.5 millions d'années, car il faut autant de temps à la lumière de la galaxie pour arriver sur Terre. De cette façon, les astronomes observent toujours le passé, même jusqu'à 13.8 milliards d'années. L'observation d'objets astronomiques à différentes distances nous donne ainsi un aperçu de l'histoire cosmique. Étant donné qu'en moyenne, l'Univers a les mêmes propriétés partout, cette coupe transversale fournit des indices précieux sur notre propre histoire.
Puisque la lumière voyage dans l'espace à une vitesse finie, il y a des régions lointaines de l’Univers que nous ne pouvons encore observer. La raison en est simplement que la lumière de ces régions n'a pas eu assez de temps pour atteindre nos détecteurs sur Terre. Nous ne pouvons voir que des objets qui se trouvent à l'intérieur d'une certaine région qui est appelée «l'Univers observable», comprenant tous les objets dont la lumière a eu le temps nécessaire pour nous atteindre. Les objets très éloignés, proche de la périphérie de cette région, présentent un intérêt particulier. Celles-ci nous apparaissent sous la forme qu'elles étaient quant l'Univers avait tout juste commencé.
Les étoiles, l'air que nous respirons, nos corps et tout ce que nous voyons autour de nous sont constitués d'atomes, eux-mêmes composés de protons, de neutrons et d'électrons. Cette soi-disant matière baryonique, c'est ce avec quoi nous interagissons dans notre vie quotidienne. Des données d'observation montrent qu'elle ne représente qu'environ 5% de la composition totale de l'Univers. En fait, l'Univers est principalement composé d'une forme d'énergie inconnue appelée Énergie Noire (environ 68%) et d'une forme inhabituelle de matière appelée Matière Noire (environ 27%). La nature de la soi-disant Énergie Noire et Matière Noire est un domaine de recherche actif, en particulier par le biais d'observations de leur influence sur la matière baryonique.
L’évidence observationnelle montre que l’Univers est en expansion a une vitesse accélérée, laquelle est attribuée a l’Energie Noire. Alors que l'Univers se développe de manière systématique à grande échelle, les amas de galaxies s'éloignent les uns des autres. Les données observationnelles montrent que plus une galaxie est éloignée de nous, plus vite elle s’éloigne de nous (loi de Hubble-Lemaître). Des observateurs extraterrestres hypothétiques dans d'autres galaxies trouveraient la même chose. Les systèmes liés, tels que les amas de galaxies et les groupes de galaxies liés par leur propre gravité, ou les galaxies elles-mêmes, ne sont pas affectés par l'expansion cosmique. Au sein des amas et des groups de galaxies, les galaxies individuelles peuvent être en orbite l'une autour de l'autre, ou elles peuvent être sur une trajectoire de collision entre elles. Ceci est vrai pour la Galaxie Voie lactée et la galaxie d'Andromède.
L'expansion cosmique influence les propriétés de la lumière dans l'Univers. La lumière qui nous parvient de galaxies éloignés est de plus en plus décalée vers le rouge avec de plus grandes distances. Ce décalage cosmologique vers le rouge peut être compris soit directement en termes de longueurs d'onde de la lumière augmentant (s’étirant en de longueurs d’onde plus longues) avec le facteur d'échelle cosmique. C'est pourquoi les galaxies lointaines ne peuvent être observées que dans les bandes infrarouges ou radio, et pourquoi le Fond Diffus Cosmologique nous atteint principalement dans le régime des micro-ondes.
Il y a eu de nombreux tests pour voir si les lois de la physique, telles que les lois régissant la gravité, la thermodynamique et l'électromagnétisme, sont les mêmes sur Terre et dans l'Univers lointain. Jusqu'à présent, tous ces tests indiquent que les lois fondamentales de la physique s'appliquent à l'ensemble de l'Univers.
Les grands relevés de décalage vers le rouge de l'Univers ont révélé qu'à grande échelle de l'ordre de quelques centaines de millions d'années-lumière, l'Univers ressemble à une éponge tridimensionnelle - comme un réseau de filaments et de vides, que les astronomes appellent la «toile cosmique». Les filaments et les feuilles contiennent des millions de galaxies. Ces structures à grande échelle s'étendent sur des centaines de millions d'années-lumière et ont généralement une épaisseur de plusieurs dizaines de millions d'années-lumière. Les filaments et les feuilles forment des limites autour des vides, qui sont de l'ordre de cent millions d'années-lumière de diamètre, et ne contiennent que très peu de galaxies.
Le rayonnement électromagnétique le plus ancien, émanant des régions les plus éloignées de l'Univers que nous pouvons observer, est le fond diffus cosmologique. Il s'agit de la relique de l'Univers ancien chaud et dense, empreinte d'informations datant d'une époque où l'Univers avait environ 380 000 ans. Le Fond Diffus Cosmologique [Cosmic Microwave Background, CMB] nous permet de mesurer les caractéristiques clés de l'Univers dans son ensemble: la quantité de Matière Noire, de matière baryonique et d’Énergie Noire qu'il contient, la géométrie de l'Univers et son taux d'expansion actuel. Le Fond Diffus Cosmologique montre que l'Univers est presque isotropique et fournit donc également des preuves indirectes d'homogénéité.
Selon les meilleures preuves disponibles jusqu’à présent, toute la matière et l'énergie que nous voyons autour de nous étaient contenues dans un volume inférieur à un atome il y a 13.8 milliards d'années. L'Univers est passé de cette phase à très haute densité et température à son état actuel. Les modèles décrivant l'Univers en expansion sont appelés LambdaCDM (où Lambda signifie la composante Énergie Noire de l'Univers et CDM pour Cold Dark Matter). La phase du Big Bang, malgré son nom, n'était pas une explosion où la matière est projetée dans un espace vide existant antérieurement. Tout l'espace disponible était rempli de matière dès le début et, à mesure que l'espace augmentait, la densité moyenne de matière a diminué depuis. Depuis la formation des galaxies, les distances moyennes entre elles ne cessent d'augmenter. Le modèle du Big Bang fait de nombreuses prédictions testables sur notre Univers actuel, dont la plupart ont été confirmées à l'aide de données d'observation.
