Khi nhìn lên bầu trời, ta thường có cảm giác mình đang nhìn vũ trụ ở hiện tại. Thực ra không phải vậy. Ánh sáng cần thời gian để đến được với chúng ta: từ Mặt Trời là hơn tám phút, còn từ những thiên hà rất xa có thể là hàng tỷ năm. Vì thế, càng nhìn xa, ta càng nhìn thấy vũ trụ của quá khứ.

Nhưng ánh sáng chỉ cho phép chúng ta nhìn ngược về quá khứ đến một giới hạn nhất định. Khi vũ trụ còn rất trẻ, nó nóng và đặc đến mức ánh sáng liên tục bị các hạt mang điện làm chệch hướng và chưa thể truyền đi tự do. Chỉ khi vũ trụ nguội đủ để các hạt ấy kết hợp thành nguyên tử, ánh sáng mới có thể đi xa. Phần ánh sáng còn lại từ thời điểm đó vẫn được đo thấy ngày nay dưới dạng bức xạ nền vi sóng vũ trụ — dấu vết từ khi vũ trụ mới khoảng 380.000 năm tuổi.

Khi quan sát thật kỹ dấu vết ấy, các nhà khoa học nhận ra nhiệt độ không hoàn toàn giống nhau ở mọi nơi. Những chênh lệch ấy rất nhỏ, chỉ cỡ một phần mười nghìn độ, nhưng cho thấy vật chất trong vũ trụ thuở ban đầu cũng không phân bố hoàn toàn đều. Theo thời gian, hấp dẫn kéo thêm vật chất về những vùng đậm đặc hơn; từ đó dần hình thành các ngôi sao, thiên hà và những cấu trúc lớn của vũ trụ.

Một manh mối khác đến từ sự giãn nở của vũ trụ. Ánh sáng từ các thiên hà xa bị dịch về phía đỏ, tức bước sóng bị kéo dài, và điều đó cho thấy, trên quy mô lớn, khoảng cách giữa các thiên hà đang tăng theo thời gian. Khi lần ngược sự giãn nở ấy, các quan sát dẫn ta về một vũ trụ từng nóng hơn và đặc hơn rất nhiều. Đó là điều mô hình Big Bang mô tả: không phải vật chất nổ tung từ một điểm vào khoảng không có sẵn, mà là vũ trụ đã giãn nở từ một trạng thái rất nóng và rất đặc. Chính sự giãn nở ấy cũng đã kéo ánh sáng thuở sơ khai thành vi sóng mà ta đo được ngày nay.

Nhịp giãn nở ấy cũng thay đổi theo thời gian. Các phép đo khoảng cách tới những siêu tân tinh ở xa, tức những vụ nổ sao, và sau đó là nhiều quan sát độc lập khác, cho thấy hiện nay sự giãn nở đang tăng tốc. Ta dùng tên “năng lượng tối” cho thành phần được cho là liên quan đến sự tăng tốc ấy; trong mô hình hiện nay, nó chiếm khoảng hai phần ba tổng năng lượng của vũ trụ, nhưng đến nay vẫn chưa rõ bản chất của nó là gì. Vì thế, tương lai lâu dài của vũ trụ vẫn chưa thể được xác định một cách chắc chắn.

Nếu sự giãn nở tăng tốc tiếp tục như hiện nay, những thiên hà nằm ngoài nhóm thiên hà của ta sẽ rời xa ngày càng nhanh. Trong những khoảng thời gian dài hơn rất nhiều, các ngôi sao rồi cũng lần lượt cạn nhiên liệu và vũ trụ sẽ trở nên lạnh hơn, tối hơn. Nhưng đó là một kịch bản dựa trên những gì chúng ta biết hiện nay, không phải một kết cục đã được xác định chắc chắn. Nó còn phụ thuộc vào bản chất của năng lượng tối và liệu thành phần này có thay đổi theo thời gian hay không. Để hiểu nguồn gốc và tương lai của vũ trụ, các nhà khoa học phải lần theo những dấu vết còn lại, đối chiếu nhiều phép đo khác nhau và chỉ đi xa đến mức mà bằng chứng cho phép.