Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem Ursprung, der Entwicklung und der grundlegenden Struktur des Universums (Kosmos) als Ganzem und ist ein Teilgebiet der Astronomie, das wiederum in enger Beziehung zur Astrophysik steht. Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) beschreibt die Wechselwirkung zwischen Materie (einschließlich Feldern) einerseits und Raum und Zeit andererseits. Die Kosmologie kann zahlreiche Fragen nicht zufriedenstellend beantworten. Z.B. Gab es einen Urknall? Gab es Etwas vor dem Urknall (etwa ein Vorläuferuniversum)? Kann man überhaupt eine erste Ursache und einen ersten Anstoß zugrunde legen? Ist das Universum aus dem „Nichts“, einem Quantenvakuum entstanden? Stimmt die Inflationstheorie? Sind Gravitationswellen aus der Frühphase ein Beweis dafür? Sind Raum und Zeit erst mit dem Urknall entstanden? Wird sich unser Kosmos immer weiter ausdehnen und stimmt die Aussage der allgemeinen Weltexpansion? Ist das Universum in Raum und Zeit endlich oder unendlich? Gibt es eine endliche oder eine unendliche Anzahl von Universen bzw. von kosmischen Systemen? Können sich Hierarchien immer weiter fortsetzen? Fragen über Fragen.
Auch die
Allgemeine Relativitätstheorie (ART) Albert Einsteins gibt noch Rätsel auf. In zahlreichen Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie wurde sie experimentell bestätigt und gilt in der von Einstein formulierten Form als einzige allgemein anerkannte Gravitationstheorie. Ein ungelöstes Rätsel sind jedoch Gravitationswellen. Bekannt ist, dass Energie und Impuls der Materie die Geometrie der Raumzeit, in der sie sich befinden, beeinflussen. Dieser Einfluss lässt sich über einen allgemeinen Krümmungsbegriff formulieren, und in der ART werden Raum und Zeit durch den Begriff der Raumzeitkrümmung beschrieben. Doch wenn Materie, z. B. Himmelskörper den Raum krümmen, dann müssen bewegte Himmelskörper eigentlich wellenförmige Raumkrümmungen aussenden können –
Gravitationswellen. Indirekt konnte man sie schon nachweisen, da sie aus Doppelsternsystemen Energie wegtransportieren.
Ein direkter Nachweis gelang bis heute nicht. Ungeklärt ist die Beziehung der ART zur Quantenphysik. Daher gibt es noch keine vereinheitlichte Theorie der Quantengravitation. Die Quantentheorie kennt keinen gekrümmten Raum. Einstein selbst versuchte jahrzehntelang, seine Theorie der Gravitation, die ART, mit der Elektrodynamik, der Theorie der elektrischen und magnetischen Effekte, in einer Art Weltformel zu vereinheitlichen. Vergeblich. Am Anfang des 20. Jahrhunderts gingen die meisten Physiker auch noch davon aus, dass das Weltall statisch sei und weder Anfang noch Ende habe. Doch neue Berechnungen ergaben, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt. Die rätselhafte Beschleunigungsenergie nennt man Dunkle Energie. Und sie entspricht einer kosmologischen Konstanten in Einsteins Feldgleichungen. Woher sie kommt, ist bis heute allerdings unklar.
Ein weiteres faszinierendes Rätsel ist die Andromedagalaxie (M31. Sie) ist eine der wenigen Galaxien, die man ohne technische Hilfsmittel mit dem bloßen Auge sehen kann. Sie ist als Lichtfleck zwischen den Sternenbildern Kassiopeia und Andromeda zu erkennen. Die Andromedagalaxie ist die unserer Heimatgalaxie der Milchstraße, mit rund 2,5 Millionen Lichtjahren Entfernung nächstgelegene Spiralgalaxie. Sie weist im Zentrum ein massereiches Schwarzes Loch von etwa 100 Millionen Sonnenmassen auf. Die Milchstraße, und die Andromedagalaxie bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 110 Kilometern pro Sekunde aufeinander zu. Bevor dieser Annäherungsprozess zu Ende ist, wird es noch ca. vier Milliarden Jahre dauern. Doch es wird wahrscheinlich nicht zu einer Kollision von Sternen oder Planeten kommen. Die Abstände zwischen den Sternen innerhalb der Galaxien sind so riesig, dass es schon ein ziemlich großer Zufall, wäre, wenn tatsächlich Himmelskörper wie Sonnen oder Planeten zusammenstoßen würden. Astronomen haben berechnet, dass die beiden Galaxienkerne sich einander annähern, aber einander knapp verfehlen und kurzzeitig wieder voneinander entfernen, bevor sie erneut kehrtmachen und sich endgültig vereinen. Die beiden Spiralgalaxien werden dabei ihre Form einbüßen.
Sie werden sich verbiegen, sich dann in die Länge ziehen und letztlich zerreißen. Das Endergebnis wird eine riesige elliptische Galaxie ohne Spiralarme sein.
Dieser Typ kommt in unserem Universum recht selten vor, umfasst aber viele der besonders großen Galaxien. Unser Universum ist voller Geheimnisse. Seit ihrer Entdeckung rätseln Astrophysiker über sogenannte
Extragalactic Radio Bursts
– mysteriöse Ausbrüche von Radiostrahlung, die aus anderen Galaxien stammen. Im April 2020 wurden solche Radiowellen erstmals von innerhalb unserer Galaxie entdeckt. Die Extragalactic Radio Bursts sind besonders starke Ausbrüche von
Soft Gamma Repeatern, einer Klasse von kompakten Sternen mit Ausbrüchen im Bereich der harten Röntgen- bzw. der weichen Gammastrahlung, die sich über einen Zeitraum von Tagen bis Jahrzehnten wiederholen. Es könnte in der Andromedagalaxie M31 eine schwächere Form der Extragalactic Fast Radio Transient geben, von denen mehrfache Ausbrüche im Radiobereich beobachtet worden sind.
Im Februar 2020 wurde erstmals die Entdeckung einer Periodizität bei einem Fast Radio Burst berichtet. 2018 wurde von Astronomen am Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment Telescope ein sich wiederholender Fast Radio Burst entdeckt. FRB 180916 emittiert Radiowellen in einem ~16-Tages-Zyklus. Das Radiosignal kann nicht erklärt werden. Es wiederholt sich stündlich für 4 Tage nur, um dann 12 Tage Pause zu machen. Eine Theorie besagt, dass es sich dabei um Signale einer hoch entwickelten außerirdischen Technologie handeln könnte.