Tyson investiga formação e evolução estelar, como também cosmologia e astronomia galáctica. Já ocupou vários cargos em instituições como a Universidade de Maryland, Universidade de Princeton, o Museu Americano de História Natural e o Planetário Hayden.
É autor de vários livros sobre astronomia. Em 1995 começou a escrever a coluna "Universe" para a revista Natural History. Nesta coluna, em 2002, introduziu a expressão "Manhattanhenge" para descrever um fenómeno que ocorre duas vez por ano na cidade de Manhattan. O sol da tarde fica alinhado com duas das principais ruas da grelha de Manhattan, permitindo que se observe o pôr-do-sol sem qualquer obstrução. Esta coluna influenciou também o seu trabalho como professor nas palestras da coleção The Great Courses.
Em 2001, o então presidente dos Estados Unidos, George W. Bush, nomeou-o para fazer parte da Comissão para o Futuro da Indústria Aeroespacial dos Estados Unidos e, em 2004, da Comissão do Presidente para a Implementação da Política de Exploração Espacial do Estados Unidos, esta última também ficou conhecida como a Comissão da "Lua, Marte e mais além". Pouco mais tarde foi galardoado com a Medalha NASA por Serviço Público de Destaque, a mais alta distinção civil conferida pela NASA.
Tyson em dezembro de 2011 numa conferência que assinalava os mil dias depois do almoço da sonda espacial Kepler
Em 2004 foi apresentador do programa de televisão "Origins", uma mini-série de quatro episódios, transmitida pela Nova da PBS,[12] e, em coautoria com Donald Goldsmith, publicou o volume que acompanhava a série, Origins: Fourteen Billion Years Of Cosmic Evolution.[13] Em abril de 2009 colaborou novamente com Goldsmith, como narrador do documentário 400 Anos do Telescópio que estreou na PBS.
Como diretor do Planetario de Hayden, opôs-se ao pensamento tradicional que se referia a Plutão como o nono planeta. Tyson explicou que queria ver as semelhanças entre objectos, agrupando os planetas terrestres, os planetas gigantes gasosos e Plutão, com objectos que lhe eram semelhantes, evitando que se contasse simplesmente os planetas. Declarou no Colbert Report, no Daily Show e no BBC Horizon que esta decisão deu origem a uma grande quantidade de mensagens de ódio, muitas das quais de crianças.[14] Em 2006, a I.A.U. confirmou esta avaliação ao mudar a classificação de Pluto para "planeta anão". Tyson mostrou a sua frustração na entrevista com Daniel Simone afirmando, "por uns tempos, não fomos muito populares aqui no Planetário de Hayden."
Tyson já foi vice-presidente, presidente e presidente do conselho administrativo da Sociedade Planetária. Até 2011 foi o apresentador do programa Nova ScienceNow da PBS.[15] Participou e falou no simpósio Para Além da Crença: Ciência, Relegião, Razão e Sobrevivência em novembro de 2006. Em 2007, Tyson, que é conhecido pelo seu carácter vibrante, comportamento alegre e pela sua admiração da vastidão do universo, foi escolhido para aparecer regularmente no popular programa de televisão do Canal História, o The Universe,.
Em maio de 2009, lançou um programa de rádio de um hora chamado StarTalk, que apresentava em conjunto com o comediante Lynne Koplitz. O programa foi transmitido aos sábados à tarde na estação KTLK AM em Los Angeles e na WHFS em Washington. Teve a duração de treze semanas mas foi relançado em dezembro de 2010, apresentado então pelos comediantes Chuck Nice e Leighann Lord em vez Koplitz. O programa também está disponível na Internet numa transmissão ao vivo ou na forma de podcast.[16]
Em abril de 2011, foi o orador principal na 93ª Convenção Internacional da Phi Theta Kappa International Honor Society do Two-year School. Ele e James Randi deram a palestra intitulada Skepticism, que estava directamente relacionada com o tema da convenção de "Democratização da Informação: Poder, Perigo e Promessa".
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