Les sondes spatiales
L'utilisation des sondes interplanétaires, permettant d'étudier de manière rapprochée les astres du système solaire, a révolutionné l'astronomie, donnant naissance à une nouvelle discipline: la planétologie.
En permettant d'accroître nos connaissances sur les planètes, les sondes spatiales ont permis de mieux comprendre l'histoire de la Terre, sa formation et son origine. D'ailleurs, de manière symbolique, Voyager 1, avant de quitter le système solaire, s'est retourné une dernière fois pour un ultime cliché: au centre de la photomosaïque, une étoile, le Soleil; perdues dans l'espace, de minuscules têtes d'épingle, nos planètes.
La Lune, le premier objet d'étude
L'intérêt des ingénieurs soviétiques et américains se porta d'abord vers la Lune. Les premiers lancements soviétiques, en 1958, échouèrent et ne furent jamais annoncés. Plusieurs essais américains furent également vains, bien que deux d'entre eux (Pioneer 1 et 3) aient franchi près de 100 000 km dans l'espace avant de retomber sur la Terre.
La première sonde qui s'arracha à la gravité terrestre fut la sonde soviétique Luna 1, lancée le 2 janvier 1959; elle dépassa la Lune et poursuivit sa route dans l'espace. La sonde américaine Pioneer 4, lancée deux mois plus tard, suivit le même trajet. La conquête du système solaire commença véritablement avec l'impact, en septembre 1959, de Luna 2 sur le sol lunaire; un mois plus tard, Luna 3 photographiait la face cachée de la Lune.
Au milieu des années 1960, trois projets de la NASA avaient pour objectif la Lune. Les sondes Ranger s'écrasèrent sur la surface lunaire mais réussirent, avant l'impact, l'envoi de photographies haute résolution. Les sondes Surveyor se posèrent en douceur et analysèrent la surface, tandis que les sondes Lunar Orbiter, en orbite autour de l'astre, envoyaient des images des sites potentiels d'atterrissage et de régions d'intérêt scientifique général.
Les efforts soviétiques furent similaires et conduisirent à des succès limités peu de temps avant leurs équivalents américains (Luna 9 réussit le premier alunissage en 1966, et Luna 10 fut la première sonde placée sur orbite lunaire, quelques mois plus tard). Les Soviétiques ont mis en service ultérieurement une série de sondes automatiques qui ont rapporté de petits échantillons de sol lunaire, déployé des véhicules automatiques sur roues, les Lunakhod, et réalisé des observations orbitales de la Lune.
Mise en orbite le 11 janvier 1998, la sonde américaine Lunar Prospector emportait à son bord un spectromètre gamma capable de détecter à plusieurs mètres de profondeur des métaux et minerais comme le fer, l'uranium, le silicium, le titane, tandis qu'un spectromètre alpha repérerait les gaz comme l'azote et le radon. L'analyse de ses relevés doit permettre de dresser un atlas géochimique du sol de la Lune, et de confirmer éventuellement qu'il est le siège d'une activité tectonique. Un des premiers résultats des analyses transmises par Lunar Prospector a semblé confirmer la présence de quantités importantes d'eau (sous forme de glace) au fond des cratères polaires.
Toutefois, l'observation de l'impact provoqué du satellite américain Lunar Prospector dans un cratère polaire (31 juillet 1999) n'a pas permis de confirmer ces premières mesures en mettant en évidence une quelconque présence d'eau dans le sol lunaire. L'analyse des données recueillies simultanément par le téléscope spatial Hubble, par le satellite SWAS (Submillimeter Wave Astronomy Satellite), par l'observatoire MCDonald au Texas et par le télescope Keck à Hawaii montrèrent que la collision n'avait dégagé aucun élément chimique pouvant révéler que des molécules d'eau avaient été projetées lors de l'impact.
La découverte de Vénus
Le 12 février 1961, avant le vol historique de Gagarine, un engin soviétique appelé Venera 1 quittait la Terre pour voguer vers Vénus, qu'il survola, muet, toute liaison avec la Terre ayant cessé après quinze jours de vol. Mais le premier engin à atteindre avec succès la planète fut la sonde américaine Mariner 2, qui, le 22 juillet 1962, en frôlant Vénus et en l'observant pendant 42 minutes, recueillit et transmit les premières données thermiques et les paramètres orbitaux de cette planète. Mariner 5, en 1967, fournit des mesures détaillées à l'occasion d'un survol.
Vénus sera aussi explorée par des sondes soviétiques. Après trois échecs, Venera 4, sonde de 1 106 kg lancée le 12 juin 1967, atteint Vénus et transmet pendant 97 minutes des données sur l'atmosphère vénusienne. Le 17 août 1970, Venera 7 plonge dans l'atmosphère vénusienne et touche le sol. Dévoilée, l'atmosphère de Vénus se présente comme très dense, composée de dioxyde de carbone, avec des températures élevées (d'environ 475 ºC). La sonde survit pendant 23 minutes, sous une pression de 90 bars! En 1972, Venera 8 survivra 50 minutes à la surface de Vénus, et analysera les roches basaltiques de surface, mesurant leur radioactivité.
En 1975-1976, les missions Venera 9 et 10 sont pour les Soviétiques un succès: les sondes se posent sur le sol de la planète et transmettent des images du sol vénusien.
Deux sondes américaines, lancées en 1978, à cinq jours d'intervalle, atteignent Vénus. Pioneer 1 portait douze expériences sur la chimie et la dynamique atmosphérique, tandis que Pioneer 2 était équipée de quatre minisondes qui traversèrent l'atmosphère vénusienne pour atteindre la surface.
En 1982, les deux sondes soviétiques Venera 13 et 14 photographient en couleurs le sol vénusien, et Venera 14 enregistre des images panoramiques. En 1983, Venera 15 et 16 tourneront autour de Vénus pendant neuf mois, et cartographieront sa surface à l'aide du radar; la résolution est de l'ordre de 2 km.
Les missions Venera seront suivies par deux missions, Vega 1 et 2, qui déploient des ballons-sondes. Les sondes soviétiques ont procédé à l'établissement de profils verticaux atmosphériques, mais aussi à des mesures de spectrométrie, de chromatographie, de cartographie et d'aéronomie, permettant de connaître la dynamique complexe des tempêtes et des vents violents qui affectent Vénus; elles ont recueilli aussi une quantité considérable de données sur la surface du sol vénusien ainsi que sur sa composition.
La sonde américaine Magellan, lancée le 4 mai 1989, établit depuis le 10 août 1990 une cartographie radar de la surface de Vénus, révélant des images splendides d'une planète volcanique où ont lieu des phénomènes tectoniques de grande ampleur.
L'observation de Mercure
Lancée le 3 novembre 1973, la sonde Mariner 10 survole Vénus puis, le 5 février 1974, est placée sur une orbite tangente à la trajectoire de Mercure, qu'elle rencontre avec une période de 176 jours. Pendant sa mission, Mariner 10 photographia 45 % de la surface de cette planète, et étudia aussi son champ magnétique ainsi que ses paramètres atmosphériques.
Les vols vers l'énigmatique planète Mars
Les lancements vers Mars se font à intervalles espacés: après un échec soviétique (Zond 1) et américain (Mariner 3), c'est la sonde Mariner 4, qui, en juillet 1965, en passant à 9 844 km de la planète rouge, transmet vers la Terre 17 images, où on reconnaît des cratères ainsi que des bassins.
Malgré de nombreuses tentatives, une seule mission soviétique atteint Mars. Mars 5, en 1973, réussira à retransmettre quelques images de la surface de la planète. Les autres missions seront perdues, manqueront leur cible ou resteront muettes. Si les sondes soviétiques échouent près du but, le vaisseau américain Mariner 9 se place en orbite autour de Mars; il retransmet, pendant onze mois, un grand nombre de clichés (7 000) remarquablement détaillés, où les planétologues commencent à cartographier des structures d'écoulement fossilisées et de gigantesques volcans, comme le mont Olympus (500 km de diamètre pour une altitude dépassant les 25 km).
Lancée le 22 août 1975, la sonde américaine Viking 1 se pose en douceur, le 20 juillet 1976, dans le désert rouge de Chryse Planitia; Viking 2 se posera dans Utopia Planitia le 3 septembre 1976. On découvre alors un monde étrangement réel, sous un ciel rouge, des sables ocres et des cailloux polis par le vent. Le sol martien est analysé in situ. Les sondes réalisent trois expériences pour détecter d'éventuelles formes de vie, mais les résultats ne sont pas probants.
En 1989, l'Union soviétique envoie deux sondes pour atteindre le satellite de Mars, Phobos, mais l'on perd le contrôle de l'une d'elles peu après le lancement, et la seconde ne réussit à effectuer qu'une partie du programme prévu.
Les premières missions vers Jupiter
Les premières missions vers Jupiter ont été le fait des sondes américaines Pioneer 10 et 11, lancées par des fusées Atlas Centaur en 1972-1973. Plus de deux années furent nécessaires à chacune des sondes pour atteindre leur destination avant de continuer vers l'extérieur du système solaire. Leurs mesures de l'environnement de Jupiter, et particulièrement des turbulences rencontrées dans ses ceintures de radiations, ont ouvert la voie aux sondes Voyager lancées en 1977. Voyager 1 et 2 ont découvert de nouvelles particularités du système jovien, comme des satellites inconnus, un anneau étroit ou le volcanisme actif sur le satellite Io. La sonde Galileo, lancée par la navette Atlantis le 18 octobre 1989, fait route vers Jupiter. Bien que cette sonde soit défectueuse, son antenne principale ne s'étant pas déployée, elle fournit de précieuses données et a notamment transmis les premières images de l'astéroïde Gaspra (astéroïde 951), dont elle a croisé la trajectoire en octobre 1991.
La nature de l'atmosphère de Saturne
Saturne a été visitée pour la première fois par la sonde Pioneer 11 en 1979, et l'année suivante les sondes Voyager sont passées à proximité de la planète; elles ont pris des mesures de son environnement, observé son atmosphère, ses satellites et son impressionnant système d'anneaux. Voyager 2 poursuivit sa route et fut la première sonde à atteindre Uranus, en 1986, puis à survoler Neptune et son principal satellite, Triton, en 1989.
Les comètes
L'International Sun-Earth Explorer fut lancée par la NASA en 1978 sur une orbite lunaire élevée et fut détournée cinq ans plus tard pour une rencontre avec la comète Giacobini-Zinner.
En 1986, les sondes ont rendez-vous avec une comète, celle de Halley. Américains, Soviétiques, Européens et Japonais se mobilisent pour étudier au mieux la comète. Les Américains expédient la sonde ISEE-3, et les Soviétiques lancent deux missions, Vega 1 et 2, qui passent à proximité de Vénus, avant de se diriger vers la comète de Halley, qu'elles photographient. Pendant ce temps, les Japonais ont lancé deux sondes, Planet A et MS-T5.
L'Agence spatiale européenne envoie également une sonde: Giotto. Lancée le 2 juillet 1985 par Ariane 1, cette sonde de 950 kg survole le 14 mars 1986 la comète de Halley, à une distance de 605 km. Bien que de petite taille, elle est équipée d'une chambre photographique, de trois spectromètres, de deux analyseurs de plasma, d'un magnétomètre, d'un détecteur de particules et d'une sonde optique polarimétrique. Giotto a survécu à sa rencontre avec la comète, mais a perdu ses instruments photographiques. Placée en "hibernation", la sonde a pu être réactivée en 1990, pour repartir à la rencontre d'une autre comète, Grigg-Skjellerup, qu'elle a croisée, mais en aveugle, le 10 juillet 1992.
Depuis l'"année des comètes", la cadence des missions s'est ralentie. Les Soviétiques ont mis au point deux missions ambitieuses, Phobos 1 et 2, qui ont échoué très près du but, et les Américains ont vu l'échec de la mission Mars Observer, en 1993.
À la découverte d'une étoile: le Soleil
Les premières sondes Pioneer furent lancées pour observer le Soleil sous des angles divers. Deux sondes allemandes, Helios 1 et Helios 2, furent placées sur l'orbite de Mercure afin de mesurer le champ magnétique du Soleil et d'observer les caractéristiques de son environnement. La dernière mission en date est la sonde américano-européenne Ulysses, destinée à l'exploration des régions polaires du Soleil. Elle a été lancée par la navette spatiale le 6 octobre 1990 et a atteint le pôle Sud du Soleil le 13 septembre 1994, après avoir survolé Jupiter en février 1992. Elle étudie notamment l'héliosphère interne et les vents solaires.
Le confin du Système Solaire
L'étude des astres les plus éloignés su Soleil est lancée en 2006 avec le lancement de New Horizons. Son objectif, létude de Pluton et de la ceinture de Kuiper.
Quelques sondes spatiales
| Sonde | Date lancement | Astre(s) étudié(s) |
| Mariner 2 | 27 aout 1962 | Vénus |
| Mariner 4 | 28 novembre 1964 | Mars |
| Mariner 5 | 14 juin 1967 | Vénus |
| Mariner 6 | 24 février 1969 | Mars |
| Mariner 7 | 27 Mars 1969 | Mars |
| Mariner 9 | 30 Mai 1971 | Mars |
| Pioneer 10 | 3 mars 1972 | Jupiter |
| Mariner 10 | 3 Novembre 1973 | Vénus, Mercure |
| Viking 1 | 20 aout 1975 | Mars |
| Viking 2 | 9 septembre 1975 | Mars |
| Pioneer 11 | 6 avril 1976 | Jupiter, Saturne |
| Galileo | 18 octobre 1989 | Vénus, la Terre, Jupiter, Gaspra, Ida |
| Mars Pathfinder | 4 décembre 1996 | Mars |
| Ulysses | 6 octobre 1990 | Jupiter, Soleil |
| Mars Global Surveyor | 7 novembre 1997 | Mars |
| Cassini Huygens | 1997 | Jupiter, Saturne |
| Mars Odyssey | 7 avril 2001 | Mars |
| Rosetta | 2 mars 2004 | Comète Churyumov-Gerasimenko |
| Messenger | 3 août 2004 | Mercure |
| Deep Impact | 12 janvier 2005 | Comète Tempel 1 |
| Vénus express | 9 novembre 2005 | Vénus |
| New Horizons | 19 janvier 2006 | Pluton |