La cosmologie est une branche de la physique qui regroupe les études portant sur les propriétés de l'Univers dans son ensemble et sa structure. Elle permet d'expliquer l'origine et l'évolution de l'Univers.
Des théories et des hypothèses permettent d'établir des modèles cosmologiques, qui sont testés par des observations. La théorie dominante sur l'origine et l'évolution de l'Univers est celle du Big Bang.
Mesure de l'Univers
Unités de distance Unité astronomique La Terre est une planète de taille relativement modeste (environ de rayon), en orbite autour d'une étoile de la séquence principale, le Soleil. Par définition, la distance Terre-Soleil est approximativement égale à l'unité astronomique (notée « »), soit environ de kilomètres. D'autres planètes font partie du Système solaire. La plus éloignée (en ne comptant pas les planètes naines) est Neptune, distante d'environ de kilomètres du Soleil, soit trente unités astronomiques.
Année-lumière, parsec et multiples Pour les objets situés hors du Système solaire mais dans la Voie lactée voire au-delà mais dans le Groupe local ou des amas galactiques voisins, on mesure les distances en années-lumière () et milliers ou millions d'années-lumière. L'année-lumière, définie comme la distance parcourue par la lumière en un an, vaut environ de kilomètres soit près de .
On utilise aussi le parsec (), qui vaut environ , et surtout ses multiples, le kiloparsec () et le mégaparsec ().
Gigaparsec et décalage vers le rouge Pour l'Univers lointain on utilise le gigaparsec () qui vaut environ d'années-lumière, mais aussi, surtout pour les limites de l'Univers observable, le décalage vers le rouge. Ce dernier est exprimé par la grandeur , où est la longueur d'onde à laquelle est observée une raie spectrale provenant de l'objet et celle à laquelle elle est observée en laboratoire. La conversion en véritables unités de distance peut se faire pour les faibles valeurs de (0,01 : d'années-lumière ; 0,10 : ), mais pour des valeurs supérieures à l'unité la conversion est très dépendante de l'histoire de l'expansion de l'Univers, assez mal connue.
La Galaxie comme structure Le système solaire est lui-même lié à une structure, la Voie lactée (ou Galaxie), qui comprend plusieurs centaines de milliards d'étoiles. L'étoile la plus proche du Soleil, Proxima du Centaure, est située à un peu plus de quatre années-lumière, soit de kilomètres de celui-ci, soit plus que la distance Terre-Soleil. La plupart des étoiles visibles à l'œil nu dans le ciel nocturne sont à des distances de plusieurs dizaines, voire centaines d'années-lumière. Le Soleil est situé à la périphérie de la Galaxie. Il est à environ de sa limite extérieure ; la Galaxie a un rayon environ deux fois plus grand que cette distance, pour un diamètre d'environ . Ces dimensions en font une galaxie typique de l'Univers.
Si l'on excepte les galaxies naines, qui se trouvent en nombre dans le voisinage de notre galaxie, la galaxie massive la plus proche de nous est la galaxie d'Andromède, dont la distance est légèrement supérieure à deux millions d'années-lumière. Notre galaxie et celle d'Andromède sont les deux représentants les plus massifs d'un groupe de galaxies lié par la gravitation et appelé Groupe local, large de quelques millions d'années-lumière. Il existe d'autres structures plus grandes dans l'Univers, appelées amas de galaxies et superamas. L'amas le plus proche du Groupe local est l'amas de la Vierge (ou amas de Virgo, du nom latin de la constellation), lui-même situé près du centre du superamas de la Vierge. Les superamas sont les plus grosses structures de l'Univers, toutefois leur taille ne dépasse pas 200 à d'années-lumière. Ces structures s'organisent en filaments de plus forte densités qui entourent des espaces quasiment vides d'une taille de l’ordre de centaines de millions d’années-lumière (les astres y pénétrant étant ralentis par l'effet gravitationnel des filaments constitués de superamas)...
La limite de l'Univers observable est, elle, estimée à d'années-lumière, ce qui correspond à la distance de l'horizon cosmologique dans le cadre du modèle standard de la cosmologie.
On estime à : 10 millions le nombre de superamas situés dans l'Univers observable ; 25 milliards le nombre d'amas de galaxies situés dans l'Univers observable ; 350 milliards le nombre de galaxies massives (supérieure à ou de l'ordre de celle de notre galaxie) situées dans l'Univers observable ; milliards de milliards () le nombre d'étoiles situées dans l'Univers observable.
Masses La masse volumique de la Terre est d'environ . Étant donné sa taille, sa masse est d'environ . Le Soleil, qui est une étoile typique, est environ plus massif, soit . Pour les objets plus gros (galaxies, amas de galaxies), il est de coutume d'utiliser la masse solaire comme unité de masse, le kilogramme devenant une unité trop petite au vu des ordres de grandeur en jeu.
Les observations indiquent que les galaxies sont significativement plus massives que les étoiles qui les composent. On est à peu près certain aujourd'hui qu'en plus de la matière ordinaire dont nous sommes fait, il existe une autre forme de matière, actuellement inconnue en laboratoire, appelée . Contrairement à la matière ordinaire, cette matière n'interagit pas avec la lumière et est donc invisible. De plus, elle ne forme pas de structures compactes comme des étoiles, des planètes ou des astéroïdes, mais a une répartition nettement plus diffuse au sein des galaxies. La masse de la matière noire au sein des galaxies (et dans l'Univers tout entier) est environ six fois plus élevée que celle de la matière ordinaire. La masse de notre galaxie est ainsi d'un peu plus de mille milliards de masses solaires.
La masse estimée des superamas est de l'ordre de quelques masses solaires. Rapportés à leur taille, les superamas sont des objets extrêmement peu denses : quelques dizaines d'atomes par mètre cube seulement. La masse de l'Univers observable est estimée à .
Durées La période de révolution de la Terre autour du Soleil est d'une année (en fait une année tropique). Plus les planètes sont éloignées du Soleil, plus leur période de révolution est grande, conséquence de la troisième loi de Kepler. Ainsi, Neptune a une période de .
Les ordres de grandeurs augmentent considérablement si l'on regarde la période de révolution du Soleil autour du centre galactique : elle est d'environ d'années. Les étoiles ne sont pas des objets immuables. Elles se forment, se mettent à briller, puis s'éteignent faute de combustible nucléaire en leur sein. L'âge du Soleil est d'environ d'années. Les étoiles les plus vieilles de notre galaxie ont environ 10 milliards d'années. C'est aussi l'âge de notre galaxie. Les galaxies aussi naissent à partir d'immenses nuages de gaz. L'Univers lui-même tel que nous le connaissons n'est pas éternel. Il est issu d'une phase extrêmement dense et chaude, le Big Bang, qui s'est produit il y a environ d'années.
Vitesses Les vitesses orbitales autour du Soleil sont de l'ordre du kilomètre par seconde () : pour la Terre, pour Mercure, pour Pluton.
Les vitesses orbitales des étoiles autour du centre de la Voie lactée sont généralement de l'ordre de quelques centaines de kilomètres par seconde (Soleil : ), mais les étoiles proches de ce centre sont beaucoup plus rapides : ~ pour S4716, pour S4714 (8 % de la vitesse de la lumière)..
À l'échelle de l'Univers on observe de vastes régions, couvrant des distances de plusieurs centaines de mégaparsecs, qui se déplacent à des vitesses de plusieurs centaines de kilomètres par seconde. On pense que ces mouvements d'ensemble ont pour origine de faibles perturbations de vitesse peu après l'équipartition, qui se sont ensuite développées par la formation de structures et par l'inhomogénéité croissante de l'univers post-recombinaison..
La vitesse d'un objet de l'Univers par rapport au Système solaire est la somme vectorielle de sa (par rapport à son espace local) et de la vitesse de récession de son espace local par rapport au nôtre, due à l'expansion de l'Univers. La composante radiale de la vitesse totale est donnée par la formule , où désigne la vitesse de la lumière et exprime le décalage vers le rouge ( où désigne la longueur d'onde d'une raie spectrale de l'objet et celle de la même raie mesurée en laboratoire). Pour les objets lointains, la vitesse de récession surpasse largement la vitesse propre, elle atteint notamment 97,89 % de la vitesse de la lumière pour EGSY8p7 ( 8,68).
Évolution du cadre théorique
Concept métaphysique La cosmologie permet d'étudier l'origine et l'évolution de l'Univers... Avant d'être une science dotée d'un cadre théorique, il s'agissait d'une théorie philosophique visant à étudier des lois générales de l’Univers et de sa constitution au point de vue expérimental et au point de vue métaphysique. Dans la classification de Christian Wolff (1729), la cosmologie était une des trois disciplines de la « métaphysique spéciale », avec la théologie (dieu), et la psychologie (l'âme).
Au Moyen Âge, en Europe, théologie et cosmologie étaient étudiées par les mêmes intellectuels. Whitehead souligne d'ailleurs que si Galilée avait raison de dire que la Terre bouge, l'Église avait raison de dire que c'était le soleil qui bouge, ce dont la théorie de la relativité a finalement rendu compte, en montrant que ce sont les deux qui bougent, dans un univers où tout bouge. Il faut aussi tenir compte des instruments de l'époque. Les étoiles éloignées paraissaient fixes et leur nature pouvait difficilement être comprise, sans télescope. Whitehead rend compte de cela. L'expérience peut être changée par l'invention de tel ou tel instrument. L'expérience que nous avons du réel sans instrument ne reste pas moins valable pour autant. Nous voyons toujours le soleil traverser le ciel et la terre être fixe sous nos pieds, c'est simplement une autre perspective sur les mêmes objets. Les objets sont susceptibles d'un nombre indéfini de perspectives dont aucune n'est plus vraie qu'une autre.
Par exemple, les recherches historiques et archéologiques permettent d'envisager que dans la cosmologie Maya, la terre était plate et carrée, et que le ciel était porté par des divinités ou des arbres..
En Europe, étude réduite au système solaire jusqu'au thumb|left|Cosmologie de Ptolémée. vignette|Sphères et paradis célestes autour de la Terre. La notion d'Univers a évolué au cours de l'Histoire, la cosmologie a d'abord commencé par des observations à l'oeil nu.. Au , le Traité de la sphère de Joannes de Sacrobosco présente une imagerie d'un système géocentrique hérité de l'Antiquité : on y voit des cercles concentriques représentant l’axe du monde, les sphères élémentaires, planétaires, les étoiles et l’empyrée.. Alors que la Terre était généralement considérée comme un point fixe (théorie géocentrique., défendue entre autres par Aristote et Ptolémée), la Renaissance a vu émerger l'idée que notre planète n'occupait pas de position privilégiée dans l'Univers (principe copernicien.), et n'en était certainement pas au centre. C'est à partir du que les premiers instruments d'observation astronomiques ont fait leur apparition (lunette astronomique de Galilée, puis télescope d'Isaac Newton), permettant d'arpenter le cosmos, et de réfléchir à sa structure, puis, à partir du , à son histoire et son évolution.
Depuis le , la cosmologie s'est émancipée de la métaphysique et de la théologie ce qui amène à la distinction entre cosmologie scientifique et cosmologie religieuse.
La cosmologie scientifique établie à un instant donné dépend directement de ce que l'on connaît de l'Univers. Avant le , l'Univers connu était essentiellement réduit au seul système solaire, et la cosmologie portait donc uniquement sur la formation de celui-ci.
Découverte du concept de galaxies au thumb|Image d'une galaxie satellite de la voie lactée, prise par télescope Hubble en 2013.