1. 直接观测系外行星
上世纪90年代初，人类发现了最早一批系外行星。但是，这些系外行星并不是直接观测到的，而是探测到的。2000年，天文学家通过观测恒星的光线变化探测到一大批系外行星。2008年，天文学家宣称，他们分别利用“哈勃”太空望远镜和“凯克”天文望远镜观测到了围绕遥远恒星运转的系外行星。两大天文望远镜分别拍下了这些系外星球的照片。
“凯克”天文望远镜所观测到的是一颗名为“HR8799”的恒星周围的三颗行星。“HR8799”距离地球大约150光年。“哈勃”太空望远镜拍摄到了一颗大质量系外行星，该行星正围绕“北落师门”恒星运转，距离地球大约25光年。
2. 证实火星存在水
2008年，美国宇航局“凤凰”号火星探测器登陆火星，证实火星上存在水并找到了有机化合物的迹象。
八年前，美国火星全球探测器在火星表面发现了只有流动的水体才会形成的水沟。再近些时候，“火星远程漫游者”号发现了可能证明火星古代存在水的矿物质。但是，关于现在存在水的证据一直未能找到。“凤凰”号登陆火星北极后，实施了挖掘采样和分析研究任务。在一次挖掘中，“凤凰”号支架上似乎粘上了几个白色斑点。经科学家对比分析后证实，这些白色斑点就是水冰。这一发现不仅仅证实了火星上存在水，而且再一次激起了人们在火星寻找由这些水所支持的微生命的希望。
3. 检测到暗物质
2006年夏天，天文学家声称他们已经找到了暗物质存在的直接证据，尽管他们仍然解释不清暗物质究竟为何物。这一发现有助于人类更好地理解宇宙。
这一证据来自子弹星簇中两大星系的正面碰撞。暗物质理论是来自这样一个事实：星系中可见物质只占星系的五分之一，这些可见物质用来产生重力以保证星系整体的完整性。但是，余下的部分呢？那些望远镜所看不到的物质就是暗物质。通过对子弹星簇的观测，虽然仍然无法解释何为暗物质，但是这种观测可以帮助科学家理解暗物质粒子的行为方式。
21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。暗物质存在于已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。
4. 阋神星的发现和冥王星的降级
2005年1月，迈克-布朗等科学家在美国帕洛玛天文台观测到“136199 Eris”，即阋神星。阋神星体积比冥王星大27%。因此，阋神星挤掉了冥王星，成为了围绕太阳公转的第九大天体。
由于阋神星体积比冥王星大，它曾经被考虑成为太阳系的第十行星。但由于最近已发现多个与冥王星大小相近的天体，国际天文学联合会于2006年认为，应该重新考虑行星的定义。于是，阋神星最终与冥王星一起被划为矮行星。阋神星获得的名称是“136199 Eris”，而冥王星的名称为“134340 Pluto”。
5. 发现暗能量
2002年，“哈勃”太空望远镜升级后安装了一个新的设备，即“巡天先进相机”。“巡天先进相机”揭示了暗能量的存在。
“巡天先进相机”本来是用来帮助科学家研究为什么“Ia”型超新星会比预想的要暗淡。“哈勃”在对超新星观测过程中发现，这些超新星事实上并不暗淡，只不过是因为这些恒星是属于不同类型的恒星。对此，唯一的解释就是宇宙膨胀的速度是意想不到的快，这种高速膨胀使得这些恒星看起来很暗淡。“哈勃”的发现让人们更容易理解究竟何为暗能量。暗能量就是一种不可见的力，它与地心吸力恰恰相反，它只会导致宇宙不断加速膨胀。暗能量令人感到非常奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。
6. 首次绘制宇宙大爆炸“回声”图
2001年6月，美国宇航局开始利用威尔金森微波各向异性探测器在整个宇宙空间里绘制宇宙微波背景辐射图，以寻找宇宙大爆炸的远古“回声”。科学界普遍认为，宇宙诞生于距今137亿年前的一次大爆炸，作为大爆炸的“余烬”，微波背景辐射均匀地分布在整个宇宙空间。更精确地观测宇宙微波背景辐射，对于揭开宇宙形成和演变的奥秘至关重要。
当宇宙刚刚形成时，会释放出巨大的能量。这些能量被浓缩从而形成我们今天所理解的质量。宇宙大爆炸时所产生的辐射至今仍然存在，但是是以微弱的微波形式存在。通过绘制宇宙微波背景辐射图，发现其中微小的变化，威尔金森微波各向异性探测器算出了宇宙的准确年龄，并探测出宇宙质量的96%都是由我们所看不到的物质所构成的。
7. 银河系发现超大质量黑洞
此前，天文学家一直迷惑不解的是，在距离地球26000光年的银河系中心存在一个超级怪物。2008年，天文学家根据围绕一个不可见点运转的恒星的行为特点进行研究后确认，这个超级怪物就是一个超大质量黑洞，名为“Sagittarius A*”。
早在1995年，天文学家们就已经注意到，一颗名为“S2”的孤独恒星正在沿着一条非常快速的轨道围绕一个不可见点运转。多少年来，天文学家一直在跟踪研究这颗恒星。2008年，当“S2”完成一次长达16年的公转运行后，天文学家终于明确了它所围绕的那个黑洞。“Sagittarius A*”黑洞质量大约为太阳的430万倍。银河系中心存在超大质量黑洞，这一发现由此也推导出大多数星系中心都存在一个超大质量黑洞的理论。
8. 彗星上发现有机化学物质
2004年，美国宇航局“星尘”任务开始追赶“维尔特2号”彗星，以明确该彗星的冰物质中是否含有生命组成物质。此前，科学家在地球上发现的陨石中发现了来自太空的有机化学物质。2009年8月，美国宇航局宣布他们已经在“星尘”任务所搜集的标本中发现了氨基酸。这一发现证明，系外行星的大气层中也有可能存在有机化学物质。
“星尘”任务所引起的一系列发现改变了我们对地球生命形成的看法，同时也在明确地提示我们，地球生命并不是太空中唯一生命，宇宙中到处都可能会产生有机化学物质。
9. 证实月球存在水
2009年9月，印度“月球1号”探测器证实月球上存在水。尽管现在的月球表面比地球上的沙漠还要干燥，但是这一发现表明月球表面可以产生水和羟基分子。也许那里连绿洲都不是，但未来月球殖民者却可以在月球表面提取并净化出饮用水来，甚至还可以用来种植粮食作物、可以生产氧气和燃料。此外，未来月球殖民者还可以前往月球两极的陨坑中采集水源。
2009年10月9日，美国宇航局实施了LCROSS撞月计划，在月球的一个陨坑中撞出了一个100英尺(约30米)宽的大洞。美国人也发现了水的存在。撞击的火箭激起了巨大的羽状尘埃，科学家们利用月球侦测轨道器和地面望远镜对这些物质进行了观测和分析。他们发现，尘埃物中包含的月球水冰至少有25加仑。
10. 探测土卫六
2005年1月14日，欧洲航天局“惠更斯”号探测器成功登陆土卫六表面，开始对土卫六进行探测。它所发回的照片向人们展示了土卫六神秘的表面，使人类第一次真正认识这颗遥远的星球。
在此次任务之前，人们只知道它是土星最大的卫星，对其他信息却一无所知，科学家们甚至都不能确定“惠更斯”号究竟将会登陆到什么样的表面。由于土卫六拥有厚厚的大气层，科学家们曾经还认为它应该是一颗年轻的地球。“惠更斯”号探测器和“卡西尼”号飞船的观测数据告诉我们，土卫六和地球确实有许多相似之处，比如两者表面都有沙丘和湖泊。这两个特点引起科学家们的猜测，土卫六或许存在支持生命的有机分子。
