Højt profilerede rummissioner, har sendt bjergtagende flotte billeder og data tilbage, fra hele det elektromagnetiske spektrum, men astronomer bruger også andre værktøjer, herunder partikelacceleratorer, neutrino- og gravitationsbølgedetektorer, samt højhastighedscomputere.
Siden begyndelsen af det 20. århundrede, har fysikere kigget ind i atomets struktur, ved at observere hvad der sker, når små partikler kolliderer. Omkring 1930’erne, havde fysikerne udviklet en teknologi, til at accelerere ladede subatomare partikler, som for eksempel protoner, til meget høje hastigheder, og observerede så hvad der skete, når de ramte et mål. Fra sådanne eksperimenter (som stadig foregår den dag i dag), har fysikerne opdaget mange subatomare partikler, og har lært om deres fysiske egenskaber. Højenergipartikelacceleratorer har vist sig at være vigtige værktøjer, for fysikere der studerer de grundlæggende byggesten som stof består af.
Astronomer har indset, at for at forstå de allerstørste strukturer der ses i universet, ja for at forstå selve universet, er det vigtigt at forstå fysikken, der foregik i løbet af de tidligste øjeblikke af universets tid, hvor alt var utroligt varmt og meget tæt. Højenergipartikelacceleratorer som fysikerne bruger i dag, er designet til at nærme sig de energiniveauer der sås i det tidlige univers.
To faktorer, bestemmer effektiviteten af partikelacceleratorer: den energi de kan opnå, og antallet af partikler, de kan accelerere. Moderne partikelacceleratorer, som for eksempel Large Hadron Collider på CERN, nær Geneve i Schweiz (se figur 5.32), kan opnå meget høje energier. Partikler kan også studeres fra rummet. Alpha Magnetic Spectrometer, som er installeret på den internationale rumstation, vil søge efter nogle af de mest eksotiske former for stof, som for eksempel mørkt stof, antistof, og højenergi-partikler, kaldet kosmiske stråler.
Neutrinoen, er en flygtig elementarpartikel, som spiller en stor rolle i fysikken der pågår inde i stjerner. Du kan ikke se ind under overfladen på stjerner som for eksempel Solen, men observationer af neutrinoer, kan give en vigtig indsigt i, hvad der sker dybt inde i stjernen. Men neutrinoer er ekstremt svære at opdage, og næsten umulige at fange. På mindre tid end det tager dig at læse denne sætning, har tusinde billioner (1015) neutrinoer fra Solen, passeret gennem din krop. Neutrinoer, er så ikke-reaktive med andet stof, at de kan passere lige gennem Jorden (og dig), som om den (eller du) ikke var der overhovedet. Neutrinodetektorer, fanger typisk kun en ud af hver 1022 (10 milliarder billioner) neutrinoer der passerer gennem dem, men selv de får, er nok til at afsløre processer der foregår dybt inde i Solen, eller en stjernes voldelige død 160.000 lysår væk.
Eksperimenter, med henblik på at lede efter neutrinoer, hvis oprindelse er uden for Jorden, er begravet dybt under jorden, i miner eller huler, eller under havet eller is, for at sikre at det kun er neutrinoerne der opfanges. For eksempel anvender eksperimentet ANTARES, Middelhavet som neutrinoteleskop. Detektorer der ligger 2,5 km under havets overflade ud for den franske kyst, kan for eksempel observere neutrinoer, der opstod på den sydlige himmelhalvkugle og er passeret gennem Jorden. På IceCube Neutrino Observatory, et neutrinoteleskop der er placeret ved Sydpolen på Antarktis, findes detektorerne 1,5-2,5 km under isen, og de kan observere neutrinoer, der opstod på den nordlige himmelhalvkugle (se figur 5.33).
Et andet flygtigt fænomen, er gravitationsbølger. Gravitationsbølger, er forstyrrelser i et tyngdefelt, svarende til bølger der spredes ud fra forstyrrelsen der sker, når du kaster en sten ned gennem overfladen på en stille dam. Der er stærke, men indirekte, observationelle beviser for eksistensen af gravitationsbølger, men de er så flygtige, at de endnu ikke er blevet detekteret. Adskillige faciliteter, herunder Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory eller LIGO (Se figur 5.34), er blevet bygget til at detektere gravitationsbølger. Forskere er ivrige efter at opdage gravitationsbølger – at bekræfte deres eksistens og at studere de fysiske fænomener de sandsynligvis vil afsløre, som for eksempel universets fødsel og udvikling, stjernernes udvikling, eller selve kraften bag tyngdekraften selv.
En gennemgang af astronomens værktøjer, ville ikke være komplet, uden en snak om den væsentlige rolle som computere spiller. Dataindsamling, analyse og fortolkning, er i høj grad afhængig af computere – og jo mere kraftfulde de er, desto bedre. Tænk for eksempel på analyse af en nats samlede mængde af billeder, optaget af en meget stor CCD. Et enkelt billede, kan indeholde så mange som 100 millioner pixels, og hver pixel kan vise rundt regnet 30.000 lysstyrkeniveauer. Det giver samlet, flere billioner stykker information for hvert billede. Og det er kun ét billede. For at analysere disse data, foretager astronomer typisk beregninger på hver enkelt pixel i et billede, med hanblik på af fjerne uønskede bidrag fra Jordens atmosfære, eller for at korrigere for instrumentelle effekter.
Højhastighedscomputere (eller supercomputere), spiller også en væsentlig rolle i at skabe og teste teoretiske modeller for astronomiske objekter. Selv når vi helt forstår de underliggende fysiske love der regulerer adfærden af et bestemt objekt, er objektet ofte så komplekst, at det ville være umuligt at beregne dets egenskaber og adfærd, uden hjælp fra supercomputere. For eksempel kan du bruge Newtons love, til at beregne to stjerners baner, der er tyngdemæssigt bundet til hinanden, fordi deres baner er simple ellipser. Men det er ikke nær så let, at forstå banerne for de flere hundrede milliarder stjerner der udgør Mælkevejen, selvom de underliggende fysiske love er de samme.
Computermodellering, har fungeret godt, ved bestemmelse af de indre egenskaber for stjerner og planeter, herunder Jorden. Selvom astronomerne ikke kan se ind under deres overflader, har de en overraskende god forståelse af deres indre, som vi vil se på i senere kapitler. Astronomer begynder en model, ved at tildele velforståede fysiske egenskaber til bittesmå mængder inden for en planet eller en stjerne. Computeren samler et enormt antal af disse enkeltelementer i en samlet repræsentation. Når det hele er sat sammen, er resultatet et temmelig godt billede af, hvordan det indre af en stjerne eller en planet er.
Astronomer, anvender også supercomputere til at studere udviklingen af astronomiske objekter eller systemer over tid. For eksempel, kan astronomer skabe modeller af galakser, og derefter køre computersimuleringer for at undersøge, hvordan disse galakser kan ændre sig over milliarder af år. For eksempel viser figur 5.35, en simulering af en kollision mellem to galakser. Resultaterne af computersimuleringer, sammenlignes dernæst med teleskopiske observationer.
