Hur fungerar universum? Att förstå universums uppkomst och dess slutliga öde är viktiga första steg för att avslöja mekanismerna för hur det fungerar. Detta kräver i sin tur kunskap om dess historia, som började med Big Bang.

Premiär NASA-undersökningar med Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) och Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) har mätt strålningen från universum när det bara var 300 000 år gammalt, vilket har bekräftat de teoretiska modellerna för dess tidiga utveckling. Med sin förbättrade känslighet och upplösning undersökte ESA:s Planck-observatorium himlen med långa våglängder till nya djup under sin tvååriga undersökning, vilket gav nya stränga begränsningar för fysiken i universums första ögonblick. Dessutom kommer den möjliga upptäckten och undersökningen av det så kallade B-mode-polarisationsmönstret på den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) som gravitationsvågorna har intryckt under dessa första ögonblick att ge ledtrådar till hur de storskaliga strukturer som vi observerar i dag har uppstått.

Observationer med Hubble-rymdteleskopet och andra observatorier har visat att universum expanderar i allt snabbare takt, vilket innebär att den som tittar på natthimlen en dag – i en mycket avlägsen framtid – endast kommer att se vår galax och dess stjärnor. De miljarder andra galaxerna kommer att ha avlägsnat sig så att de inte kan upptäckas av dessa framtida observatörer. Ursprunget till den kraft som pressar isär universum är ett mysterium, och astronomer kallar den helt enkelt för ”mörk energi”. Denna nya, okända komponent, som utgör ~68 % av universums innehåll av materia och energi, kommer att avgöra allas slutliga öde. Att fastställa den mörka energins natur, dess eventuella historia under kosmisk tid, är kanske astronomins viktigaste uppgift för det kommande decenniet och ligger i skärningspunkten mellan kosmologi, astrofysik och grundläggande fysik.

Vetenskapen om hur fysikens lagar beter sig vid de extrema punkterna i rymd och tid, i närheten av ett svart hål eller en neutronstjärna, är också en viktig pusselbit som vi måste få fram om vi ska kunna förstå hur universum fungerar. Nuvarande observatorier som arbetar vid röntgen- och gammastrålar, t.ex. Chandra X-ray Observatory, NuSTAR, Fermi Gamma-ray Space Telescope och ESA:s XMM-Newton, producerar en mängd information om materiens tillstånd nära kompakta källor, i extrema gravitationsfält som är omöjliga att uppnå på jorden.