Využívají při tom všechny druhy elektromagnetického záření – od radiových vln až po záření gama. Každý úsek elektromagnetického spektra nám totiž otevírá své vlastní okno do kosmu. Obrovská množství dat vyhodnocují superpočítače. Kosmické fenomény všeho druhu lze nyní prozkoumávat s dosud nevídanou přesností. V roce 2015 byly možnosti bádání rozšířeny o další zcela novou metodu: Vědci teď dokážou na Zemi měřit gravitační vlny, díky čemuž mohou zkoumat i ty astronomické události, na něž doposud žádné měřicí metody neexistovaly.

Virtuální vesmír
Za účelem vytvoření „Illustris TNG“, dosud největší a nejdetailnější simulace procesů probíhajících při vzniku vesmíru, nakrmili vědci superpočítač Hazel Hen ve Stuttgartu daty o počátečním stavu kosmu. Superpočítač pak vypočetl, jak se vesmír vyvíjel po dobu více než 13 miliard let. Potřeboval k tomu 16.000 procesorových jader, jež pracovala déle než rok, 24 hodin denně. Běžný moderní počítač by stejnou úlohu počítal 15.000 let. Simulace ukazuje vědcům jak velkoprostorové souvislosti univerza, tak i podrobnosti např. proudění plynů v galaxiích, a to vše v naprosto jedinečné formě a přesnosti.

Temná hmota a temná energie
Hvězdy, planety a další kosmická tělesa, která jsou pro nás pozorovatelná, představují jen velmi malou část vesmíru. Zbytek – minimálně 95 % – tvoří temná hmota a temná energie.

Temná hmota není viditelná, ovšem dává o sobě vědět prostřednictvím své gravitace. Kdyby temná hmota neexistovala, musela by se viditelná hmota ve vesmíru chovat jinak. Například galaxie, tedy i naše Mléčná dráha, by se musely rozpadnout a rozletět. Temná energie je označení pro efekt, jímž si astronomové vysvětlují zrychlené rozpínání vesmíru. Působením vzájemné přitažlivosti hmot by se rozpínání vesmíru mělo zpomalovat. Měření však ukazují pravý opak: Vesmír se rozpíná stále rychleji! Vysvětlení je takové, že zhruba 70 % vesmíru je tvořeno temnou energií.

Hledání neutrin – „částic duchů“
Pětkrát častěji než „normální“ hmota se ve vesmíru vyskytuje temná hmota, kterou nelze ani pozorovat, ani přímo měřit. Vědci předpokládají, že je složena z dosud neznámých elementárních částic, které jen minimálně interagují s viditelnou, „normální“ hmotou. Experiment CRESST právě tyto částice hledá: Pod italským horským masivem Gran Sasso se nachází podzemní laboratoř s vysoce citlivými detektory odstíněnými ze všech stran skálou o tloušťce přes 1400 metrů. Všechny „normální“ částice, které dopadnou z vesmíru na Zemi, jsou zachyceny hmotou hory. „Temné“ elementární částice by naopak měly skálou proniknout téměř nerušeně. Měřicí techniku zde představují ultračisté krystaly wolframanu vápenatého ochlazené na necelých –273 stupňů Celsia. Jakmile na některý z krystalů narazí částice temné hmoty, jeho teplota stoupne asi o miliontinu stupně. Vysoce citlivé teploměry tento miniaturní rozdíl změří Dva vědci osazují detektor experimentu CRESST v podzemní laboratoři Gran Sasso. | © Astrid Eckert
Velký třesk
Jednou z největších hádanek vědy je otázka vzniku univerza. Dnes již víme, že se vesmír rozpíná. Víme dokonce i to, jak toto rozpínání probíhá. Při pohledu nazpět vidíme nekonečné zhušťování hmoty i energie. A právě tam se nejspíše nachází počátek našeho dnešního vesmíru – čistě matematicky před 13,8 miliardy let. Velký třesk však nepředstavuje explozi v prostoru. Podle dnes převládající teorie se jedná o počátek prostoru, času a hmoty.

© Jak ale mohlo být tak obrovské množství hmoty a energie, které je ve vesmíru obsaženo, stlačeno do miniaturního bodu? Aby velký třesk – jak je dnes popisován – mohl fungovat, muselo na úplném počátku dojít k nadsvětelné inflaci neboli k velmi krátkému a extrémně rychlému rozpínání. Pomocí měřicích metod na bázi elektromagnetického záření sice tuto oblast kolem velkého třesku prozkoumat nelze, pomocí gravitačních vln to ale možné je.

Velký třesk, nebo velký odraz?
Prostor, čas a hmota vznikly při velkém třesku doslova z ničeho – alespoň jak tvrdí obecně rozšířená teorie. Díky dnešním znalostem dokážeme vypočítat veškeré procesy od miliardtiny sekundy po velkém třesku. Ten kratičký časový úsek přímo po „třesku“, tolik důležitý pro naše chápání, je zatím stále neobjasněný. A právě na něj zaměřuje své bádání Anna Ijjas, mladá vědkyně z Ústavu Maxe Plancka pro gravitační fyziku. Cyklický model, na kterém pracuje, vychází z toho, že zde byl dřívější vesmír, který se pomalu smrštil až na 10-25 cm a poté se zase začal rozpínat. Velký třesk by pak byl spíše jakýsi jemný „velký odraz“. Nedílnou součástí teorie velkého třesku je také fáze inflace, tedy extrémně rychlého rozpínání vesmíru krátce po „třesku“. Věda pro ni zatím nemá žádné vysvětlení. Model velkého odrazu takovouto premisu neobsahuje.
  Co bylo před velkým třeskem? Třeba nějaký dřívější vesmír? | © Anna Ijjas

Gravitační vlny
Albert Einstein měl zase jednou pravdu: 14. září 2015 byly poprvé změřeny gravitační vlny, které Einstein 100 let před tím popsal ve své teorii relativity. Co jsou ony gravitační vlny? Podle Einsteina za sebou každá hmota ve čtyřrozměrném prostoročasu zanechává deformace. Při pohybu těchto hmot vznikají vlny, které se v kosmu šíří rychlostí světla a zakřivují prostor.

Gravitační vlny vznikají ve vesmíru neustále. Na Zemi je však lze změřit pouze tehdy, když se velmi velké množství hmoty pohybuje velmi vysokou rychlostí, což nastane např. při splynutí dvou černých děr. A přesně to bylo změřeno v září 2015. Zapotřebí jsou hodně citlivé měřicí přístroje: Dva obří interferometry, které tyto signály zachytily, se nacházejí v USA. Ovšem velká část precizní techniky, jež je v těchto přístrojích osazena, jakož i mnohé z vyhodnocovacích programů pocházejí z Německa, konkrétně z Ústavu Maxe Plancka pro gravitační fyziku se sídlem v Postupimi a Hannoveru.
  Galaxie
Galaxie jsou „ostrovy světů“ v nekonečném moři kosmu. Sdružují se v nich hvězdy, planetární soustavy, prachové oblaky, mlhovina a temná hmota. Pohromadě je drží gravitace. Galaxie mohou mít nejrůznější struktury – od jednoduchých elips až po vysoce komplexní spirální galaxie s definovanými rameny, mezi něž se řadí i naše Mléčná dráha. Galaxie se dále shlukují do skupin a kup různé velikosti. Největší galaktické kupy obsahují několik tisíc galaxií.

Naší nejbližší galaxií je tzv. Velká mlhovina v souhvězdí Andromedy, která má přibližně stejnou velikost jako Mléčná dráha. Zároveň je to nejvzdálenější astronomický objekt, který můžeme ze Země pozorovat pouhým okem.
  Andromeda Galaxy © ESO/S. Brunier
Supernova
Některé hvězdy umírají spektakulární smrtí: Jasná exploze masivní hvězdy na konci jejího vývoje se nazývá supernova. U vzniku tohoto pojmenování (nova = latinsky nová) stál Tycho Brahe. Tento dánský astronom v roce 1572 zpozoroval náhlý výskyt velmi jasné hvězdy v místě, kde dříve nebylo vidět vůbec nic.

Při výbuchu supernovy se velká část hvězdy promění v energii, která se vyzáří najednou. Zůstane po ní neutronová hvězda nebo černá díra. Zcela fascinující je supernova, jež vznikne tehdy, když masivní obří hvězda, např. červený obr, spotřebuje své palivo. Působením své vlastní gravitace se zhroutí dovnitř a uvolní při tom obrovské množství energie. Supernova pak může po určitou dobu zářit jasněji než celá galaxie, v níž se nachází.