当世间万物汇聚在一起便成了宇宙，它包括时间、空间、物质及所有事物。这个广阔且多变的世界，具有多区域和多重表现等可被思维认知的聚集体，同时它还被自身的运动所左右。几千年以来，一直存在一个让所有人困惑的问题，它和人类的进化史一样古老：是否有其他行星和我们生活的地球一样，也可以支持生命在该行星繁衍变迁？在太阳系、甚至是宇宙中的其他星球中，是否也有和人类一样拥有先进技术的生命类别存在，而此时，他们正在另一个世界主导着该星球上的一切！但这些问题的答案，都需要科学家们用较长的时间来分析和观察，那么，现在的我们应该如何理解宇宙，以及我们在其中的位置。
如果我们要了解宇宙是如何工作的，那么就必须知道物理定律如何在空间和时间的极端、黑洞或中子星附近表现，并且，这也是我们必须解答的难题的重要部分。关于宇宙运作方式的探索，科学家们选择首先研究宇宙中存在的基本构件，它们包括物质、能量、空间和时间，以及在“婴儿时期”和宇宙进化的极端物理条件下，它们有哪些行为发生，直接解决有关复杂天体物理现象的性质，及其核心问题，比如黑洞、中子星、暗能量和引力波。了解宇宙起源于什么和它的终极命运，是揭示其运作机制最必要的第一步，而这一切都是从了解宇宙历史中的大爆炸开始。通过COBE（宇宙微波背景探测器）和WMAP（威尔金森微波各向异性探测器）进行的调查，它们已经测量了宇宙只有30万年前的辐射，从而证实了它早期演化的理论模型。
通过哈勃太空望远镜和其他观测站的观测表明，宇宙正在扩张，并且其扩张的速度还在不断地增长，这意味着在遥远的未来，终有一天任何看夜空的人，都只能看到我们的银河系及其恒星。在这些未来的观察者们面前，数十亿其他星系都已经退去。而关于推动宇宙分离的力量的起源，一直以来都是一个谜，天文科学家将其称为“暗能量”，它能够决定宇宙中所有物质的最终命运，因为这个新的、未知的成分，可以占宇宙物质总能量的68％左右。确定暗能量的性质，或许是未来十年天文学领域最重要的探索，它可能是宇宙时间的历史，它更是位于宇宙学、天体物理学和基础物理学的交汇点。目前，在X射线和伽马射线能量下运行的天文台，如钱德拉X射线天文台，NuSTAR，费米伽玛射线太空望远镜和欧洲航天局的XMM-Newton，都正在生成关于紧凑物质条件的大量信息。
就宇宙的组成成分而言，主要是由氦和氢这两种物质组成，当然，你可能会觉得我们生活的这个世界包含了很多物质，比如，生命本身。但尽管如此，在宇宙的可见物质中，这两个元素构成了其中的98%。宇宙从最初的简单状态到大爆炸后的宏观宇宙，如果我们想要对这个过程有更多的了解。那么，我们就必须先知道宇宙中的行星、恒星，以及星系是如何形成的。比如，第一代恒星，如果用我们现在地球上看到的重元素“种植”宇宙需要多长时间？当在宇宙的历史中有足够的重元素供应，以允许形成“益生元分子”和类似陆地的行星，这些分子结合在一起有可能会形成生命吗？
在宇宙探索中，科学家们最关注的一个问题就是：宇宙起源是什么，它又是如何演变为我们现在看到的样子，这些星系，恒星和行星蕴藏着怎样的奥秘！从第一颗系外行星得到确认，到数以千计的行星、乃至成千上万的行星候选者，我们开始对地球之外的世界有了更多的了解。当然，这一切还远远不够，因为在数量如此庞大的星星中，尚未找到一颗星球具备支持生命的环境，关于在发展行星系统中如何形成“陆地级”行星的有利条件，也还没有明确的答案，这一切都需要寻找和表征太阳系以外的行星系统探索来解答。想要发现一个能够支持生命的行星系统，我们的首要任务就是找到它们。
宇宙是如何创造出它的第一颗恒星和星系的？这天文学家必须解决的一个基本问题，因为跟宇宙主要成分的创造和演变相关的许多问题，都与此有关。一旦这些实体被创建，它们将会如何影响后续的恒星、行星，乃至星系的形成？这是一个重要的问题，因为这些后来的对象只能由第一代恒星创建的元素组成。黑洞代表的是时空中最极端的物理条件，并且在大爆炸之后，产生了一些最具能量的现象，而它们正是测试宇宙理论的最终物理实验室。目前，科学家们尚不清楚，宇宙是否与第一代恒星产生黑洞、或这些奇异物体是否是由第一代恒星所创造。尽管天文学家们已经研究了数千年的恒星，但是在过去的35年左右的时间里，他们才能够从无线电波到伽马射线进入尘埃状态。
恒星诞生于我们自己银河系中的尘埃云中，我们必须使用更强大的望远镜，才能更好的研究宇宙是如何制造出现在围绕它们运行的恒星和行星。现在，我们所了解的是宇宙具有“泡沫”般的结构。而那些构成可见宇宙的星系和星系团，则集中在一个复杂的支架上，它们围绕着巨大的宇宙空洞网络。然而，在宇宙中除了有可见部分的“正常”物质以外，科学家还发现其中存在大量看不见的其他物质。而这种所谓的“暗物质”占到宇宙物质能量总量的27％左右，可见碎片却仅占总量的约5％。显然，如果科学家们要更好的了解宇宙的结构及其形成和演化的过程，那么，必须首先理解这个重要、但却看不见的暗物质的分布，以及它与正常物质之间的相互作用和影响方式。
科学家们在地面上测量了宇宙射线粒子，其能量高达1020电子伏特，这比我们在最强大的人造粒子加速器中所获得的能量还要更多。这也是天体物理学中最大的谜团之一，这些粒子是如何通过自然宇宙射线加速器获取到如此多的能量？很多人都认为，大多数的宇宙射线来自超新星爆炸，当大质量的恒星爆炸发生时，它们会将大部分爆炸物质送入太空，而膨胀的冲击波，则可以破坏星际原子，并将碎片加速到难以想象的高能量。并且，对于最有活力的宇宙射线而言，其他未知的灾难性现象也可能起作用。科学家们将他们的研究上升到了更高的高度，以直接测量太空中的粒子，被称为CREAM（宇宙射线能量学和质量研究）的宇宙射线探测器也已经发射到南极上空的平流层，以长时间充满氦气球。
宇宙射线在与探测器上方空气中的原子核碰撞之前是什么样子的？研究人员可以通过将探测器放置在地球大气层的99％以上，从而得到更好地信息进行分析。每个入射宇宙射线粒子的能量和方向，都能被CREAM测量到，并且还能通过测量其电荷来识别粒子的类型，从而为粒子的起源和加速机制提供线索。国际空间站为高能宇宙射线提供了一个极好的监测平台，该站允许长期监测代替多个有限持续时间的气球飞行，可提供直接、无阻碍的进入宇宙射线而无大气干扰。从海拔高达120000英尺的地方，CREAM已经在南极上空飞行了七次，累积了超过191天的数据，空间站上较长的曝光时间允许测量更高的能量。通过宇宙射线的神秘本质，也提醒了我们对已知宇宙知之甚少。
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