Wie funktioniert das Universum? Das Verständnis der Entstehung des Universums und seines endgültigen Schicksals sind wichtige erste Schritte, um die Mechanismen seiner Funktionsweise zu entschlüsseln. Dies wiederum setzt die Kenntnis seiner Geschichte voraus, die mit dem Urknall begann.

Vorangegangene NASA-Untersuchungen mit dem Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) und der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) haben die Strahlung des Universums gemessen, als es erst 300.000 Jahre alt war, und haben theoretische Modelle seiner frühen Entwicklung bestätigt. Mit seiner verbesserten Empfindlichkeit und Auflösung hat das Planck-Observatorium der ESA während seiner zweijährigen Durchmusterung den langwelligen Himmel bis in neue Tiefen erforscht und damit strenge neue Vorgaben für die Physik der ersten Momente des Universums gemacht. Darüber hinaus wird die mögliche Entdeckung und Untersuchung des so genannten B-Mode-Polarisationsmusters im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), das von Gravitationswellen während dieser ersten Momente geprägt wurde, Hinweise darauf liefern, wie die großräumigen Strukturen, die wir heute beobachten, entstanden sind.

Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und anderen Observatorien haben gezeigt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt, was bedeutet, dass eines Tages – in sehr ferner Zukunft – jeder, der den Nachthimmel betrachtet, nur noch unsere Galaxie und ihre Sterne sehen wird. Die Milliarden anderer Galaxien werden für diese zukünftigen Beobachter nicht mehr zu erkennen sein. Der Ursprung der Kraft, die das Universum auseinander treibt, ist ein Rätsel und wird von den Astronomen einfach als „dunkle Energie“ bezeichnet. Diese neue, unbekannte Komponente, die etwa 68 % des Materie-Energie-Gehalts des Universums ausmacht, wird über das endgültige Schicksal des Ganzen entscheiden. Die Bestimmung der Natur der dunklen Energie und ihrer möglichen Geschichte im Laufe der kosmischen Zeit ist vielleicht die wichtigste Aufgabe der Astronomie für das nächste Jahrzehnt und liegt an der Schnittstelle von Kosmologie, Astrophysik und Grundlagenphysik.

Zu wissen, wie sich die Gesetze der Physik an den Extremen von Raum und Zeit, in der Nähe eines schwarzen Lochs oder eines Neutronensterns, verhalten, ist ebenfalls ein wichtiges Puzzleteil, das wir erhalten müssen, wenn wir verstehen wollen, wie das Universum funktioniert. Aktuelle Observatorien, die im Röntgen- und Gammastrahlenbereich arbeiten, wie das Chandra-Röntgenobservatorium, NuSTAR, das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop und das XMM-Newton der ESA, liefern eine Fülle von Informationen über die Bedingungen der Materie in der Nähe von kompakten Quellen in extremen Gravitationsfeldern, die auf der Erde unerreichbar sind.