當世間萬物匯聚在一起便成了宇宙，它包括時間、空間、物質及所有事物。這個廣闊且多變的世界，具有多區域和多重表現等可被思維認知的聚集體，同時它還被自身的運動所左右。幾千年以來，一直存在一個讓所有人困惑的問題，它和人類的進化史一樣古老：是否有其他行星和我們生活的地球一樣，也可以支持生命在該行星繁衍變遷？在太陽系、甚至是宇宙中的其他星球中，是否也有和人類一樣擁有先進技術的生命類別存在，而此時，他們正在另一個世界主導著該星球上的一切！但這些問題的答案，都需要科學家們用較長的時間來分析和觀察，那麼，現在的我們應該如何理解宇宙，以及我們在其中的位置。
宇宙的演變過程可揭示運作機制
如果我們要了解宇宙是如何工作的，那麼就必須知道物理定律如何在空間和時間的極端、黑洞或中子星附近表現，並且，這也是我們必須解答的難題的重要部分。關於宇宙運作方式的探索，科學家們選擇首先研究宇宙中存在的基本構件，它們包括物質、能量、空間和時間，以及在「嬰兒時期」和宇宙進化的極端物理條件下，它們有哪些行為發生，直接解決有關複雜天體物理現象的性質，及其核心問題，比如黑洞、中子星、暗能量和引力波。了解宇宙起源於什麼和它的終極命運，是揭示其運作機制最必要的第一步，而這一切都是從了解宇宙歷史中的大爆炸開始。通過COBE（宇宙微波背景探測器）和WMAP（威爾金森微波各向異性探測器）進行的調查，它們已經測量了宇宙只有30萬年前的輻射，從而證實了它早期演化的理論模型。
通過哈勃太空望遠鏡和其他觀測站的觀測表明，宇宙正在擴張，並且其擴張的速度還在不斷地增長，這意味著在遙遠的未來，終有一天任何看夜空的人，都只能看到我們的銀河系及其恆星。在這些未來的觀察者們面前，數十億其他星系都已經退去。而關於推動宇宙分離的力量的起源，一直以來都是一個謎，天文科學家將其稱為「暗能量」，它能夠決定宇宙中所有物質的最終命運，因為這個新的、未知的成分，可以佔宇宙物質總能量的68％左右。確定暗能量的性質，或許是未來十年天文學領域最重要的探索，它可能是宇宙時間的歷史，它更是位於宇宙學、天體物理學和基礎物理學的交匯點。目前，在X射線和伽馬射線能量下運行的天文臺，如錢德拉X射線天文臺，NuSTAR，費米伽瑪射線太空望遠鏡和歐洲航天局的XMM-Newton，都正在生成關於緊湊物質條件的大量信息。
地球上的我們是否是孤獨的存在
就宇宙的組成成分而言，主要是由氦和氫這兩種物質組成，當然，你可能會覺得我們生活的這個世界包含了很多物質，比如，生命本身。但儘管如此，在宇宙的可見物質中，這兩個元素構成了其中的98%。宇宙從最初的簡單狀態到大爆炸後的宏觀宇宙，如果我們想要對這個過程有更多的了解。那麼，我們就必須先知道宇宙中的行星、恆星，以及星系是如何形成的。比如，第一代恆星，如果用我們現在地球上看到的重元素「種植」宇宙需要多長時間？當在宇宙的歷史中有足夠的重元素供應，以允許形成「益生元分子」和類似陸地的行星，這些分子結合在一起有可能會形成生命嗎？
在宇宙探索中，科學家們最關注的一個問題就是：宇宙起源是什麼，它又是如何演變為我們現在看到的樣子，這些星系，恆星和行星蘊藏著怎樣的奧秘！從第一顆系外行星得到確認，到數以千計的行星、乃至成千上萬的行星候選者，我們開始對地球之外的世界有了更多的了解。當然，這一切還遠遠不夠，因為在數量如此龐大的星星中，尚未找到一顆星球具備支持生命的環境，關於在發展行星系統中如何形成「陸地級」行星的有利條件，也還沒有明確的答案，這一切都需要尋找和表徵太陽系以外的行星系統探索來解答。想要發現一個能夠支持生命的行星系統，我們的首要任務就是找到它們。
宇宙主要成分的創造和演變過程
宇宙是如何創造出它的第一顆恆星和星系的？這天文學家必須解決的一個基本問題，因為跟宇宙主要成分的創造和演變相關的許多問題，都與此有關。一旦這些實體被創建，它們將會如何影響後續的恆星、行星，乃至星系的形成？這是一個重要的問題，因為這些後來的對象只能由第一代恆星創建的元素組成。黑洞代表的是時空中最極端的物理條件，並且在大爆炸之後，產生了一些最具能量的現象，而它們正是測試宇宙理論的最終物理實驗室。目前，科學家們尚不清楚，宇宙是否與第一代恆星產生黑洞、或這些奇異物體是否是由第一代恆星所創造。儘管天文學家們已經研究了數千年的恆星，但是在過去的35年左右的時間裡，他們才能夠從無線電波到伽馬射線進入塵埃狀態。
恆星誕生於我們自己銀河系中的塵埃雲中，我們必須使用更強大的望遠鏡，才能更好的研究宇宙是如何製造出現在圍繞它們運行的恆星和行星。現在，我們所了解的是宇宙具有「泡沫」般的結構。而那些構成可見宇宙的星系和星系團，則集中在一個複雜的支架上，它們圍繞著巨大的宇宙空洞網絡。然而，在宇宙中除了有可見部分的「正常」物質以外，科學家還發現其中存在大量看不見的其他物質。而這種所謂的「暗物質」佔到宇宙物質能量總量的27％左右，可見碎片卻僅佔總量的約5％。顯然，如果科學家們要更好的了解宇宙的結構及其形成和演化的過程，那麼，必須首先理解這個重要、但卻看不見的暗物質的分布，以及它與正常物質之間的相互作用和影響方式。
高能宇宙射線的神秘本質是什麼
科學家們在地面上測量了宇宙射線粒子，其能量高達1020電子伏特，這比我們在最強大的人造粒子加速器中所獲得的能量還要更多。這也是天體物理學中最大的謎團之一，這些粒子是如何通過自然宇宙射線加速器獲取到如此多的能量？很多人都認為，大多數的宇宙射線來自超新星爆炸，當大質量的恆星爆炸發生時，它們會將大部分爆炸物質送入太空，而膨脹的衝擊波，則可以破壞星際原子，並將碎片加速到難以想像的高能量。並且，對於最有活力的宇宙射線而言，其他未知的災難性現象也可能起作用。科學家們將他們的研究上升到了更高的高度，以直接測量太空中的粒子，被稱為CREAM（宇宙射線能量學和質量研究）的宇宙射線探測器也已經發射到南極上空的平流層，以長時間充滿氦氣球。
宇宙射線在與探測器上方空氣中的原子核碰撞之前是什麼樣子的？研究人員可以通過將探測器放置在地球大氣層的99％以上，從而得到更好地信息進行分析。每個入射宇宙射線粒子的能量和方向，都能被CREAM測量到，並且還能通過測量其電荷來識別粒子的類型，從而為粒子的起源和加速機制提供線索。國際空間站為高能宇宙射線提供了一個極好的監測平臺，該站允許長期監測代替多個有限持續時間的氣球飛行，可提供直接、無阻礙的進入宇宙射線而無大氣幹擾。從海拔高達120000英尺的地方，CREAM已經在南極上空飛行了七次，累積了超過191天的數據，空間站上較長的曝光時間允許測量更高的能量。通過宇宙射線的神秘本質，也提醒了我們對已知宇宙知之甚少。