新千年的宇宙学
宇宙的大尺度结构
2度视场巡天。（图片提供：2dFGRS小组）
在这片暗物质网中，宇宙的结构是由星系分布展现的。今天，宇宙显示出了丰富的结构，从星系团、超星系团到空洞、薄片（sheet）和细丝（filament）。能够同时获取上百个星系红移数据的新型摄谱仪成为测绘这种结构的利器。如今规模最大的测量计划是已经收集了25万个红移数据的英—澳2度视场巡天（2dFGRS），还有目前数据获取量已与2dFGRS相当，并且计划在2005年得到700000个数据的多国合作项目斯隆数字巡天。
现在我们知道，宇宙中存在有尺度大至3亿光年的结构，而这些结构也是宇宙中的最大结构。在更大的尺度上，星系红移图重复着自身的式样。至少可以粗略地说，如今我们已经测绘了宇宙中的“邻近”区域。
由星系展现的宇宙结构并非仅仅表明了暗物质的分布。它们同时也提供了一条间接研究早期宇宙的途径。这是因为关于早期宇宙的理论明确指出了宇宙结构起源的条件：冷暗物质（运动速度远远慢于光速，且只受重力作用）以及其分布的微小不均匀（这产生于暴涨期间的量子涨落）。
当宇宙年龄达到10000年以后，引力开始放大冷暗物质微小而古老的起伏，并最终导致今天所见的高度结构化图样形成。检验这些初始条件和星系图样之间联系的关键是大尺度计算机模拟。拥有不同宇宙学参数和初始条件的模拟宇宙特性可以被计算出来，然后可以将其与观测结果相比较。
不同的模拟之间是不相容的，例如在对许多模型宇宙，包括只有“热”暗物质（以接近光速的速度运动的中微子）的，或是只有普通（重子）物质的，还有由冷暗物质支配的临界密度宇宙的预测上。不过，拥有大量冷暗物质和更多暗能量的平坦宇宙模型与当前观测到的宇宙大尺度结构符合得很好。
对我们的宇宙结构形成理论的另一检验将来自对星系开始形成的时代的观测。在冷暗物质模型中，宇宙结构按层次形成：最早形成的星系红移值为6或7，而象我们的银河系这样的星系红移则为1或2。星系形成之后，紧接着进行的是星系群的结合（红移值为1或更小），而超星系团直到最近才开始形成。虽然对早期星系的决定性观测要等到詹姆斯·韦布空间望远镜发射和地基大型拼接望远镜（Giant Segmental Mirror Telescope）建造完成之后才能进行，这一演化顺序与对高红移宇宙的已有观测是相符的。
作为焦点的大爆炸婴儿宇宙图景
宇宙微波背景辐射。（图片提供：WMAP小组）
1964年，阿诺·A·彭齐亚斯和罗伯特·W·威尔逊发现了宇宙微波背景辐射，改变了宇宙学的进程。它使得宇宙学家得以一窥年龄为400000年，密度是如今13亿倍时的宇宙。大爆炸的余辉证明了宇宙有一个高温开端。
几乎与辐射同样重要的是1992年宇宙微波背景辐射探测者号卫星（COBE）作出的发现：CMBR（平均温度为2.7K）在整个天空中存在微小的变化，而不同天区之间差异的典型值约为0.001%。这些微小差异的各向异性就是作为如今宇宙结构微小种子的微小密度起伏。
卫星检测出如此微小温度差异的仪器只能分辨出天空中尺度大于7度的结构，这一尺度正与当今宇宙中最大的结构相符。在各个角度上的各向异性提供了有关星系和星系团种子，也就是密度涨落的信息。此外，通过使用比COBE更高的分辨率研究这种婴儿宇宙的记载，我们可以去检测暴涨假设，并确定象宇宙时空曲率和普通物质及暗物质密度这样的宇宙学常数。
由于微波背景天空中的“热”点和“冷”点不仅取决于在暴涨过程中分开的原初起伏，而且也与宇宙学关键参数有关，因而测量CMBR具有丰富的潜在科学价值。这一认识引起了实验的高潮：自COBE之后，人们对CMBR进行了20余项地基和气球测量。
这些努力的高潮是另一项对整个微波天空进行的卫星测量：这就是有着30倍于CPBE分辨率和100倍于之灵敏度的Wilkinson微波各向异性探测器（WMAP）。（普林斯顿大学的David Wilkinson是研究CMBR的先驱，也是WMAP小组的关键人物。）在WMAP四年任务的第一年中，它已绘制出了早期宇宙的壮观图景。然而WMAP带来的惊奇对于宇宙学家来说并不是惊奇，尽管它发现，恒星形成于大爆炸之后的2亿年，这比预期的早。
与其说是推翻，不如说WMAP为日渐显现的平坦宇宙图景确立了更牢固的地位。在这一图景中，宇宙有13.5亿年的历史，暗物质与暗能量之比为1:2或1:3，普通（重子）物质只占临界密度的4%。
WMAP的结果与暴涨观点相吻合。但暴涨理论有多种变体，而为了确定其中正确的一个，WMAP正以其空前的精度为理论宇宙学家开创了一个危险的新纪元——因为他们的观点由客观日益变成对事实的曲解
新疆域
薄暮中的甚大望远镜。（图片提供：ESO）
在宇宙学这个激动人心的时期，发现比我们的认识走得更远，一系列问题因而产生了：什么是暗物质？什么是引起负“引力”的神秘暗能量？我们的宇宙为什么如此复杂？它是如何起源的？
这些问题的最后一个，也就是宇宙是如何起源的，数千年来一直是人类所追问的。尽管宇宙学家们并未回答这个问题，但它现在已经属于科学研究的范围了。根据爱因斯坦的广义相对论，答案是简单的：大爆炸是物质、时间、空间和能量的唯一起源，而没有更进一步的解释了。当然，这一回答并不能让人满意；但更重要的是，我们有理由相信，更深层的解释是存在的。
广义相对论并非对引力的完整描述，这是由于它与量子力学不相容，而且也不能将引力与其他基本作用力统一起来。大多数物理学家认为，广义相对论不是终极的引力理论，而一个更加宏大的引力理论将消除象大爆炸这样令人不快的奇异性。虽然目前弦理论（也叫M-理论）并不完整，而且还没有被实验所证实，但它还是提供了将引力、其他作用力与量子力学结合起来的最佳见解。
虽然暴涨理论并非起源于弦理论，但它可能最终会在弦理论那里找到对自身的解释。但尽管暴涨理论是强有力的，它仍旧需要进一步的实验证据。它所作的三个最根本的预言中，有两个——在空间上平坦的宇宙和物质不均匀性的量子起源——已经为实验初步证实，并将被更精密的实验检验。第三个预言，也就是引力微波背景辐射正激起着新的实验理念，以期寻找引力波引起的CMBR微细偏振特性。
当前，弦理论没有对暗能量作出物理解释；这仍旧是个根本性的挑战。
其他悬而未决的宇宙学问题也日益显现。例如，第一批恒星形成于何时？形成于大爆炸之后，对我们的存在至关重要的重元素产生于何时？宇宙中大堆大堆的普通物质又在何方，他们仅仅是炽热的气体还是什么别的东西？为回答这些问题，我们需要新的观测结果和仪器设备，也需要超越冷暗物质的引力动力学并包含原子物质流体力学和热力学的复杂模型。
我们正处在宇宙发现的伟大时代之中。一批令人激动的大型空间、地基望远镜是实验正追寻这对新的未知问题的解答。如果我们能利用每一项新的发现成功改进我们的宇宙理论，我们对宇宙、支配宇宙的定律，乃至我们在其中的位置的认识将产生巨大的飞跃。如果我们确实成功了，这将是对新千年的隆重献礼。
在成功领导了研究河外星系距离尺度，持续十年的哈勃空间望远镜关键计划之后，观测宇宙学家、造父变星专家Wendy Freedman现在管理着Carnegie天文台。三十年来，芝加哥大学理论家Michael Turner在天文学和粒子物理学交叉的领域内作出了开拓性的贡献，现在他是美国国家科学基金会数学和物理科学部的负责人。
