Kosmologie is de wetenschap die de globale structuur en de evolutie van het heelal bestudeert.

De huidige kosmologische inzichten, die op zeer veel en zeer nauwkeurige astronomische waarnemingen zijn gebaseerd, laten een heelal zien dat 13,7 miljard jaar geleden is ontstaan. De Oerknal, zoals deze theorie wordt genoemd stelt dat het heelal is ontstaan uit een heet puntvormig begin met oneindige dichtheid van de materie en oneindige temperatuur. Tijdens de eerste minuten ontstonden elemetaire deeltjes, waaruit de elementen waterstof en helium ontstonden. Uit het waterstof konden na zo'n 200 miljoen jaar de eerste sterren en sterrenstelsels worden gevormd.

In 1998 werd ontdekt door onderzoek aan verre supernova's dat het heelal sneller uitdijt dan vlak na de oerknal. Er wordt verondersteld dat dit komt door donkere energie, die als een soort anti-zwaartekracht werkt.

Het is zeer waarschijnlijk dat het heelal tussen 10^-35 tot 10^-33 seconde na de oerknal een factor 10⁵⁰ zo groot werd. De snelheid van uitdijen was in die korstondige periode vele malen groter dan de lichtsnelheid. Dit is niet in tegenspraak met de relativiteitstheorie, omdat het om de uitdijing van de ruimte zelf gaat en niet om snelheid van deeltjes zoals bijvoorbeeld fotonen. Deze versnelde uitdijing wordt de inflatietheorie van de oerknal genoemd.

Het heelal blijkt slechts uit 4 procent atomen te bestaan, materie zoals wij die kennen. De rest wordt gevormd door onbekende koude donkere materie (23 pct.) en donkere energie (73 pct.). Dit is vastgesteld door waarnemingen die gedaan zijn door de WMAP-satelliet in 2003. Wat die donkere materie en donkere energie is, is nog onbekend.

Pas na de eerste supernova's werden de zwaardere elementen zoals koolstof en zuurstof gevormd, waardoor het leven kon ontstaan.

Structuur

Door onderzoek van de roodverschuiving van meer dan 220.000 melkwegstelsels (The 2dF Galaxy Redshift Survey) heeft men inzicht gekregen in hoe het heelal er op grote schaal uitziet. Melkwegstelsels blijken clusters te vormen. Onze eigen melkweg maakt deel uit van de lokale groep die weer onderdeel is van een groter geheel van melkwegstelsels. Op grote schaal ziet het heelal er uit als een soort schuim: grote clusters, die grote leegten omsluiten, de zgn. voids.

Multi-disciplinair

Inzichten in de structuur, het heden, verleden en de toekomst van de kosmos kwam niet alleen van astronomische waarnemingen. Vele gebieden van de wetenschap geven inzichten die de kosmologie in belangrijke mate verder brengt.

Door het werk van Johannes Kepler en van Isaac Newton kreeg de wiskunde een belangrijke plaats in de kosmologie. Veel kosmologische problemen bleken door wiskundige vergelijkingen te kunnen worden opgelost. De relativiteitstheorie van Albert Einstein, die eveneens voornamelijk wiskundig was, gaf diepgaand inzicht in de zwaartekracht en in wat er met ruimte en tijd gebeurt bij snelheden in de buurt van de lichtsnelheid. Uit waarnemingen van Edwin Hubble en anderen bleek dat het heelal uitdijt.

De kwantummechanica gaf inzicht in het gedrag van de elementaire deeltjes in de eerste minuten van het heelal. Grote deeltjesversnellers, zoals bij CERN en bij het Fermilab maakten het mogelijk om waarnemingen te doen aan deeltjes bij hoge botsingsenergieen.

Tegenwoordig is er een nieuwe theorie in opkomst: de stringtheorie. Deze moet antwoord geven op vragen hoe de zwaartekracht met de elektromagnetische kracht, de zwakke wisselwerking en de sterke wisselwerking verenigd kan worden. Wat de zwaartekracht is op zeer kleine afstanden, die kleiner zijn dan de Plancklengte, de zgn. superzwaartekracht. De superzwaartekracht zou plaatsvinden in een zwart gat of aan het begin van de oerknal. Deze nieuwe theorie, hoewel veelbelovend, is nog speculatief.

Geschiedenis

De moderne kosmologie begon met de inzichten van Copernicus, waarmee afscheid genomen werd van het oude van oorsprong Griekse geocentrische wereldbeeld. Toen de astronomie een empirische wetenschap werd, waarbij inzichten getoetst werden aan waarnemingen, namen de inzichten in de kosmos toe. Tycho Brahe deed aan het eind van de zestiende eeuw nauwkeurige observaties van de planeetbanen en op grond van die gegevens kon zijn assistent Johannes Kepler zijn beroemde wetten opstellen. Door gebruik te maken van de wiskunde als hulpwetenschap in de astronomie kon Kepler nauwkeurige berekeningen maken.

Door de uitvindingen van de telescoop kon Galileo de manen van Jupiter observeren en een heliocentrische theorie naar voren brengen. Ondanks tegenwerking van de Rooms-Katholieke kerk, die Gallileo negen jaar voor zijn dood levenslang huisarrest had opgelegd, was de vooruitgang van de wetenschappelijke astronomie niet meer tegen te houden. De zwaartekracht wetten van Isaac Newton gaven inzicht in de werking van de zwaartekracht op objecten op grote afstand.

De technologische vooruitgang maakte het mogelijk dat er steeds betere waarnemingen werden gedaan. William Herschel kon dankzij zijn grote zelfgebouwde telescoop waarnemingen doen waarbij hij andere melkwegstelsels kon waarnemen en stelde een theorie op waabij de zon een onderdeel was van zo'n eiland nevel. Een idee dat eerder door Immanuel Kant naar voren was gebracht. Het inzicht dat de zon onderdeel is van een melkwegstelsel betekende een definitief einde van het heliocentrisme, waar bij de zon het middelpunt van het universum was

Onderzoek aan de melkweg werd gedaan door bekende Nederlandse astronomen als Jacobus Cornelius Kapteyn en Jan Hendrik Oort, waardoor inzicht in de structuur en in de rotatie van de melkweg werd gegeven. De uitdijing werd door Edwin Hubble beschreven in een artikel dat in 1929 verscheen. Dit gegeven gecombineerd met de relativiteitstheorie was aanleiding voor de hete oerknaltheorie van George Gamow samen met Ralph Alpher en Robert Herman.

Kosmologie en religie

De kosmologie als wetenschap staat soms op gespannen voet met religie. In veel heilige boeken wordt de schepping beschreven als een daad van een opperwezen. De Rooms-Katholieke kerk heeft het werk van Copernicus en Galileo onmogelijk proberen te maken. Tegenwoordig is er ook veel weerstand vanuit de hoek van creationisten, die niet kunnen aanvaarden dat er een schepping heeft plaatsgevonden die vele miljarden jaren eerder was dan het scheppingsmoment dat volgens bepaalde creationisten 6000 jaar geleden heeft plaatsgevonden.