ماده، انرژی، فضا و زمان تحت شرایط غیر عادی و متغیر کیهان چگونه رفتار می کنند؟
طرز کار کیهان چگونه است؟ فهم نحوه تولد کیهان و سرنوشت آن قدم های ضروری نخستینی هستند که ما برای پرده برداشتن از رموز طرز کار کیهان بایستی برداریم. این امر به دانشی در مورد تاریخچه کیهان که با انفجار بزرگ آغاز شد نیاز دارد.
تحقیقات پیشین ناسا با پویشگر تابش پس زمینه تابش های مایکرو ویو کیهانی (COBE) و ماهواره WMAP تابش هایی را دریافت کردند که از زمانی می آمد که جهان فقط 300000 سال عمر داشت که این یافته ها، مدل های نظری راجع به تکامل اولیه کیهان تائید کرد. با ارتقای حساسیت و کیفیت رصدخانه پلانک، این رصدخانه اکنون در طرحی دو ساله در حال پویش آسمان در اعماق و طول موج های بیشتری است که نتیجه آن فاش حقایقی در مورد فیزیک لحظات اولیه جهان خواهد بود. علاوه بر این، تحقیقات و اکتشافات به اصطلاح مدل قطبی سازی بخش B در تابش های پس زمینه کیهانی (CMB) متاثر از امواج گرانشی در طول آن لحظات اولیه برای ما سرنخ هایی از چگونگی به وجود آمدن ساختارهای بزرگ امروزی ارائه می کنند.رصدهایی که با تلسکوپ فضایی هابل انجام شده و سایر رصدها نشان می دهد که جهان در حال انبساط با یک نرخ افزاینده مدام می باشد که نشان دهندۀ این است که روزی در آیندۀ خیلی دور هر کسی که به آسمان شب نگاه می کند تنها کهکشان ما و ستاره هایش را می بیند. میلیاردها کهکشان دیگر از توان تشخیص این مشاهده گر های آینده فراتر رفته اند. منشا نیرویی که در حال منبسط کردن جهان می باشد یک راز می باشد و ستاره شناسها آن را تحت نام "انرژی تاریک" می شناسند. این مولفۀ ناشناختۀ جدید که 75% ماده-انرژی محتوی جهان را در بر دارد سرنوشت نهایی همه چیز را مشخص می نماید. تشخیص سرشت انرژی تاریک، امکان تاریخی در حد تاریخ کیهان، احتمالاً مهمترین پژوهش ستاره شناسی برای دهۀ آینده می باشد و در مرز بین کیهانشناسی، اخترفیزیک و فیزیک بنیادی می باشد.
دانستن اینکه چطور قانونهای فیزیک در کرانه های فضا زمان، نزدیک یک سیاهچاله یا ستارۀ نوترونی، رفتار می کنند نیز یک تکیۀ مهم از معما بوده که ما باید آن را به دست آوریم اگر قصد فهمیدن چگونگی کار کردن جهان را داریم. رصدخانه های حال حاضر که در طیف انرژیهای پرتوی ایکس و پرتوی گاما کار می کنند مانند رصدخانۀ پرتوی ایکس چاندرا، تلسکوپ فضایی پرتوی گامای فرمی، نیوتنXMM- اطلاعات باارزشی را در مورد شرایط ماده نزدیک منبعهای فشرده در میدانهای گرانشی خیلی قوی که بر روی زمین قابل دسترس نیست تهیه می نمایند. ماموریت های آینده مثل LISA و رصدخانه بین المللی اشعه X مرزهای دانش ما را از پدیده های نجومی دوردست مربوط به رژیم های مفرطی که حتی فرا تر از زمان و فضا هستند را به جلو خواد برد. برای PCOS، دهه پیش رویمان وعده اکتشافات جدید و هیجان انگیز و سوالات جسورانه تری را دارد.