Kosmologia on tieteenala joka sekoittaa keskenään havaitsevaa tähtitiedettä ja monia fysiikan aloja. Siinä missä tähtitiede tutkii avaruuden moninaisia kappaleita kuten tähtiä ja planeettoja, kosmologia tutkii koko maailmankaikkeutta. Kosmologian piiriin kuuluvat kysymykset siitä, miten universumi syntyi, miksi siitä on tullut sellainen kuin se nykyään on ja miten se tulee kehittymään jatkossa.

Nykyisen käsityksen mukaan maailmankaikkeus oli noin 13,8 miljardia vuotta sitten hyvin pieni ja tiheä. Tästä tilasta universumi laajeni suuremmaksi suunnattoman nopeasti tapahtumassa, jota kutsutaan kosmiseksi inflaatioksi. Useimmissa kosmologisissa malleissa samassa tapahtumassa tai sen seurauksena syntyivät ensimmäiset hiukkaset, jotka myöhemmin muodostivat alkuaineita, joista mekin olemme rakentuneet.

Tavallisen atomeista koostuvan aineen lisäksi universumissa näyttää olevan suuria määriä jotakin näkymätöntä ainetta, jota on ryhdytty kutsumaan pimeäksi aineeksi. On päätelty, että pimeä aine koostuu joistain tuntemattomista hiukkasista, sillä se vuorovaikuttaa atomiaineen kanssa hyvin poikkeuksellisella tavalla. Pimeän aineen koostumuksen tunteminen on yksi kosmologian tutkimuskohteista, sillä pimeän aineen aiheuttama gravitaatio eli painovoima vaikuttaa vahvasti universumin kehitykseen.

Kosmisen inflaation jälkeen maailmankaikkeus on jatkanut laajenemistaan. Kun tutkitaan kaukaisten galaksijoukkojen liikkeitä, on huomattu, että ne loittonevat meistä sitä nopeammin, mitä kauempana ne ovat. Tästä on päätelty, että universumi laajenee kiihtyvällä nopeudella. Atomiaine ja pimeä aine vetävät kuitenkin gravitaation välityksellä toisiaan puoleensa, minkä pitäisi aiheuttaa pikemminkin universumin kutistumista. Jotta kaukaisten galaksien liike selittyisi, tarvitaan jotain tuntematonta energiaa, joka ajaa galaksijoukkoja eroon toisistaan. Tätä tuntematon tekijää on alettu kutsua pimeäksi energiaksi. Pimeän energian tarkka luonne on toistaiseksi täysin tuntematon.

Kosmologian avoimiin kysymyksiin kuuluu myös se, miten ensimmäiset tähdet ja galaksit muodostuivat. Tämän arvoituksen ratkaisun on arveltu piilevän ns. kosmisessa taustasäteilyssä. Se on säteilyä, jota tulee joka puolelta taivasta ja joka osoittaa universumin lämpötilan oleen hyvin tasainen noin 400 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, kun universumissa tuli riittävän viileää ja väljää, jotta valohiukkaset eli fotonit pääsivät kulkemaan ainehiukkasten ohi. Liki tasainen lämpötila selittäisi sen, miksi universumi näyttää hyvin samanlaiselta, katsoopa sitä mihin suuntaan tahansa -- kaikkialla on suunnilleen saman verran galaksijoukkoja. Pienet erot lämpötilassa saattoivat kuitenkin polkaista käyntiin sen, että aine alkoi tiivistyä tähdiksi ja galakseiksi varsin nopeasti.

Kosmisen taustasäteilyn lämpötilakartta on ollut merkittävän arvokas universumin tutkimisessa. Sen monista yksityiskohdista on mm. päätelty universumin ikä, aineen ja energian jakautuminen atomaariseksi ja pimeäksi aineeksi sekä pimeäksi energiaksi. Se on myös vahvistanut teorioita alkuräjähdyksestä ja kosmisesta inflaatiosta. Kosmisen taustasäteilyn ominaisuuksia ovat tutkineet mm. COBE- ja WMAP-luotaimet ja viimeisimpänä Planck-luotain.