Hoe werkt het heelal? Inzicht in het ontstaan en het uiteindelijke lot van het heelal is een essentiële eerste stap om de mechanismen van de werking van het heelal te ontsluieren. Dit vereist op zijn beurt kennis van zijn geschiedenis, die begon met de Big Bang.

Vorige NASA-onderzoeken met de Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) en de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) hebben de straling van het heelal gemeten toen het nog maar 300.000 jaar oud was, en bevestigen theoretische modellen van de vroege evolutie ervan. Met zijn verbeterde gevoeligheid en resolutie heeft het Planck-observatorium van de ESA tijdens zijn twee jaar durende onderzoek de lange-golflengtehemel tot nieuwe dieptes onderzocht, wat stringente nieuwe beperkingen heeft opgeleverd voor de fysica van de eerste ogenblikken van het heelal. Bovendien zal de mogelijke detectie en het onderzoek van het zogenaamde B-modus polarisatiepatroon op de achtergrond van de kosmische microgolf (CMB) dat tijdens die eerste momenten door gravitatiegolven werd veroorzaakt, aanwijzingen opleveren over hoe de grootschalige structuren die we vandaag waarnemen, zijn ontstaan.

Observaties met de Hubble-ruimtetelescoop en andere observatoria hebben aangetoond dat het heelal steeds sneller uitdijt, wat impliceert dat op een dag – in de zeer verre toekomst – iedereen die naar de nachtelijke hemel kijkt, alleen nog ons melkwegstelsel en zijn sterren zal zien. De miljarden andere sterrenstelsels zullen voor deze toekomstige waarnemers niet meer waarneembaar zijn. De oorsprong van de kracht die het heelal uit elkaar duwt is een mysterie, en astronomen noemen het eenvoudigweg “donkere energie”. Deze nieuwe, onbekende component, die ~68% van de materie-energie-inhoud van het heelal omvat, zal het uiteindelijke lot van allen bepalen. Het bepalen van de aard van donkere energie, haar mogelijke geschiedenis in de kosmische tijd, is misschien wel de belangrijkste zoektocht van de astronomie voor het komende decennium en ligt op het snijvlak van kosmologie, astrofysica en fundamentele natuurkunde.

Weten hoe de wetten van de fysica zich gedragen aan de uitersten van ruimte en tijd, in de buurt van een zwart gat of een neutronenster, is ook een belangrijk stukje van de puzzel die we moeten verkrijgen als we willen begrijpen hoe het heelal werkt. De huidige observatoria die werken met röntgen- en gammastralenergie, zoals het Chandra X-ray Observatory, NuSTAR, Fermi Gamma-ray Space Telescope, en ESA’s XMM-Newton, produceren een schat aan informatie over de omstandigheden van materie in de buurt van compacte bronnen, in extreme zwaartekrachtvelden die op aarde onbereikbaar zijn.