天文學家將數學模型與觀測相結合，以發展宇宙形成的可行理論。大爆炸理論的數學基礎包括愛因斯坦的廣義相對論以及基本粒子的標準理論。今天，美國航天局的航天器哈勃太空望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡等會繼續測量宇宙的膨脹情況。
▲空間度量擴展的時間線，其中空間（包括假設的宇宙不可觀測部分）每次都由圓形截面表示。在左邊，指數式的膨脹發生在宇宙暴脹時期；在中間的是，宇宙加速膨脹（大小比例不按尺寸）的圖形。圖：NASA/WMAP Science Team
1 大爆炸理論
大爆炸理論是從已知的宇宙最早時期到隨後的大規模演化到我們現在的可觀測宇宙的一種主要宇宙學模型。
該模型描述了宇宙是從一個溫度和密度高得不可思議的一種初始狀態演化而來，我們觀測到的豐富的光元素，宇宙微波背景輻射（CMB, Cosmic microwave background radiation）以及大尺度結構和哈勃定律都可以解釋這一點（星系距離地球越遠，其遠離地球的速度也就越快）。
如果使用目前已知的兩個基本假設：物理定律的普適性和宇宙學原理，我們可以將時間往後回溯。那麼可以假設最開始的狀態，在一個密度高得不可思議的狀態的有限時間之前，存在一個奇點，它通常與大爆炸有關。
目前物理學家們還不確定這是否意味著宇宙是從奇點開始的，也許是當前的知識還不足以描述當時的宇宙狀態。天文學家利用哈勃望遠鏡對宇宙膨脹率的詳細測量，我們得出了宇宙大爆炸發生在大約138億年前，這一數字被規定為宇宙的年齡。（後來，利用地面及哈勃望遠鏡進行連續觀測，發現宇宙膨脹率不是一個定量，而是存在一個特殊的“暗能量”產生加速度膨脹，以此測定宇宙年齡為130億年至140億年。）
在宇宙最初的膨脹之後，宇宙的溫度開始慢慢冷卻，直到其溫度低到可以形成亞原子粒子，然後形成一些簡單的原子。這些原始元素（主要是氫元素，也含有其它的一些氦）組成的巨大雲團後來通過引力合併坍縮，並最終形成了早期的恆星和星系，這些恆星和星系的演化結果就是我們今天看到的宇宙。
除了這些以外，天文學家還觀察到了星系周圍暗物質導致的引力效應。宇宙中的大部分物質似乎都是以暗物質的形式存在的，大爆炸理論和各種觀察似乎表明暗物質並不是由傳統的重子物質（質子、中子和電子）構成的，它究竟是由什麼構成的目前還尚不清楚。
▲藝術家繪製的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）採集數據的景象，圖：Tempshill
2 大爆炸理論和穩態理論
自從1927年喬治·勒梅特（Georges Lemaître）第一次注意到一個膨脹的宇宙可以追溯到一個起源的單點以來，科學家們就一直建立在宇宙膨脹的觀點之上。
科學界曾經被劃分為兩種不同理論的支持者，即大爆炸理論和穩態理論，但大量的經驗證據都強烈支持大爆炸理論，這一理論現在已被普遍接受。
1929年，根據對星系紅移的分析，埃德溫哈勃得出了一種結論：星系正在遠離地球！這一重要觀測證據與宇宙膨脹假說非常一致。
1964年，科學家們發現了宇宙微波背景輻射，這是支持大爆炸理論的關鍵性證據，因為該理論預測了在大爆炸之前必定會存在充滿整個空間的宇宙背景輻射。
最近，對超新星紅移的測量表明，宇宙的膨脹正在加速，這一觀測讓我們意識到暗能量可能存在於宇宙空間的任意角落。
目前已知的自然物理定律可以用來詳細計算宇宙的特性，電腦的建模，可以讓宇宙回溯到極端密度和溫度高得無法想象的太初狀態。
（雖然在宇宙學中大爆炸模型已經建立得相當完善，在將來它仍然非常有可能被修正，例如對於宇宙誕生最早期的那一刻人們還幾乎一無所知。對於大爆炸後最初的幾分鐘，相關的觀測嚴重缺乏，最早期宇宙物質——能量的實際形式很大程度上仍只是猜測。）
▲哈勃超深空場描繪了遠古時代的星系圖景，根據大爆炸理論，它們處於一個更年輕、更緻密且更熾熱的宇宙。圖：NASA and the European Space Agency. Edited by Noodle snacks
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