地球上的大气层保护着地球，使地球上的生物免遭一些射线的伤害。同时，它也极大地阻碍了天文观测。为了看得更清楚，天文学家就把一些天文台搬到了大气层以外的空间，有的干脆在空间站里定居下来。美国发射的“哈勃”太空望远镜和“钱德拉”x射线望远镜就是其中的代表。1990年4月25日，“哈勃”空间望远镜发射进入太空。它运行在几百千米以上二的地球轨道，摆脱了大气对天文观测的一切干扰，它拍摄的图像比地面上拍摄的天体图像清晰10倍。1．6万千米以外的一只萤火虫都难逃它的“慧眼”。
四大天文
从20世纪90年代起，美国就开始实施“大观测台计划”，即发射4颗大型天文卫星，帮助天文学家更好地观察宇宙，这4颗卫星实际上就是4个天文望远镜，被誉为空间观测的“四大天王”。即“哈勃”空间望远镜，“康普顿”伽马射线空间望远镜，“钱德拉”×射线空间望远镜和空间红外望远镜。
“哈勃”望远镜
“哈勃”望远镜是有史以来最大，最精确的天文望远镜。它长13．3米，直径4．3米，重11．6吨“哈勃”望远镜创造了一个个太空观测奇迹，包括发现黑洞存在的证据，探测到恒星和星系的早期形成过程，观测到迄今为止人类已发现的最遥远的天体——距离地球130亿光年的古老星系。
伽马射线爆发
伽马射线是一种高能电磁辐射。通常来自宇宙中的双星，脉冲星和黑洞等高密度天体。它是一种穿透力很强的射线。在宇宙中复杂的电场、磁场环境下，它会始终沿直线传播。由于其辐射强度远大于这类星体的可见光，而地表臭氧层对该射线的屏蔽作用阻碍了科学家们通过它来探索宇宙的努力，因此在空间进行伽马射线探测对于揭开黑洞之谜，了解恒星的形成及演化具有重要意义。
“钱德拉”x射线空间望远镜
1998年7月23日，被誉为探测宇宙新“天眼”的“钱德拉”x射线太空望远镜，由哥伦比亚航天飞机送入太空。“钱德拉”重约5655吨，长11．8米是目前世界上最先进，功能最强的太空望远镜。它探测星系，类星体和恒星，寻找黑洞和暗物质的踪迹，帮助天文学家对暗物质和黑洞进行深入研究，测定宇宙总质量中有多少是以炽热气体的形式存在，验证宇宙年龄和星球演变及超新星爆炸理论。
“康普顿”伽马射线空间望远镜
伽马射线望远镜就是通过捕获宇宙中天体所放射出的伽马射线，来观测天体的活动。康普顿伽马射线空间望远镜是1991年4月5日由亚特兰蒂斯号航天飞机送上太空的。它是至今已升空的最敏感的伽马射线天文卫星把此前对伽马射线的观测范围扩大了300倍。
空间红外望远镜
太空红外望远镜有着比“哈勃”太空望远镜更加灵敏的“眼睛”，可以观测到“哈勃”都看不到的星体。“斯必泽”空间望远镜（缩写为SST）是美国宇航局2003年发射的一颗红外天文望远镜是大型轨道天文台计划的最后一台空间望远镜。该卫星以空间望远镜概念的提出者美国天文学家莱曼·斯必泽的名字命名。“斯必泽”的主镜口径84厘米，配备有灵敏度极高的红外探测元件。为彻底避开地球红外辐射的干扰，它将遨游于近百亿米之遥的深空轨道。当望远镜在外层空间处于极低温的条件下进行观测时红外波段的宇宙“面容”纤毫毕现，较之于地面观测将清晰百万倍。
月球之谜
在望远镜发明之前，古代的人们只能在晴朗的夜晚，用眼睛仰望皎洁的叫月。月亮表面有明有暗、形状奇特，于是古人们就编出了许多美丽的神话来描述它。自17世纪初伽利略利用望远镜观测月球，尤其是人类登月计划实以来，人们对月球的认识越来越深人，有关月球的知识也越来越多，但与此同时，关于月球的不解之谜也越来越多。
美丽的传说
中国古代有许多关于月亮的传说，如嫦娥奔月、吴刚伐桂、玉兔捣药等。在西文，古希腊人则把月球看做美丽的狩猎女神阿尔忒弥斯，并且把女神狩猎时从不离身的银弓作为表示月球的天文符号。
环形山
月球上有许多呈碗状的凹坑结构的月球高地被称为环形山。环形山分布在整个月面上，占月面面积的7％～10％，数量至少有100多万个，大的环形山直径数百千米，小的直径只有几米，几厘米，甚至更小。有的环形山有中央丘，有的环形山中套有小环形山，有的环形山四周有辐射条纹。而月球背面的环形山多于正面的环形山。
月海
所谓月海，实际上是月球表面一些宽广的平原和洼地。月海主要由玄武岩组成，由于玄武岩的反射率平均只有6％，大部分阳光会被它吸收掉，所以从地球上看，月海的颜色比较黯淡。目前已经探明月球表面有22个月海，其中向着地球的面有19个，月球背面只有3个。
月球集质现象
美国的“月球轨道探测器”4号和“月球轨道探测器”5号在飞近月球的“雨海”“危海”等月海上空时，发现下面的吸引力特别强，宇宙飞船飞过时禁不住要倾斜，且飞船上的无线电设备也因受到干扰而失灵，后经研究发现那里的物质聚集点集中，科学家把这种地区形象地称为质量瘤，也称月球集质。在集质存在的地方，物质的密度异常的高，并且集质多存在于月海下面。目前，月球上已发现了12处这样的质量瘤，且全部集中在月球正面。
月球内部的空洞
月球上经常发生类似地震的月震根据月震波的传播速率可知，月球内部的密度低于月球表面的密度，使人感到其内部可能有空洞，但科学家至今无法验证是否真的存在空洞。
科学家观测发现，月球并不是一个寂静的世界，在月球表面经常出现一些令人不解的发光（包括红光辉光等）和雾气等短暂现象，它们持续的时间在几分钟到数小时。
丰富的资源
月球土壤中蕴含着丰富的资源最值得我们关注的是核聚变材料氦-3。这种材料在地球上极为稀有是一种可长期使用的，清洁，安全和高效的核聚变发电的燃料。根据专家初步估算，月球土壤中氦-3的资源总量约为100～500万吨，而地球上的氦-3资源总量还不足15吨。可见，开发利用月壤中的氦-3，为解决人类面临的能源危机提供了一种可能。
“阿波罗”登月计划
在20世纪60年代的美国载人航天活动中，最为辉煌的成就莫过于“阿波罗载人登门飞行”。早在20世纪60年代初，美国宇航局就提出了“阿波罗”登月计划。经过8年的艰苦努力，连续发射10艘不载人的“阿波罗”飞船之后，终于在1969年7月16日发射成功载人登月的“阿波罗”11号飞船。
美苏太空竞赛
二战后“冷战”局面的形成，使得美、苏这两个国家在各个领域展开了激烈的角逐。载人航天作为高科技的体现，当然成为他们争夺的领域。在相继将自己的卫星送入太空之后，他们立刻开始了下个阶段的竞争，即载人航天计划的实施。20世纪60至70年代苏美出于各自的目的而进行的这场竞赛，或多或少加速了载人航天计划的制定和实施，无形中对整个人类作出了巨大的贡献。“水星”计划是美国1958年开始实施的第一个载人航天计划，1962年才进行首发载人轨道飞行并于1963年结束，共完成25次飞行试验，其中包括4发动物飞行，2次载人弹道飞行，4次载人轨道飞行，耗资约4亿美元。美国通过“冰星”计划证明人能够在空间环境中生存和有效地驾驶飞船，也取得了载人飞船设计的初步经验。
“双子星座”计划
美国于1961年11月至1966年11月实施了“双于星座”计划，将其作为由“水星”计划向“阿波罗”计划的过渡。其主要任务是研究人在失重条件下长期太空飞行的种种问题，以及发展轨道机动，会合和对接技术还有航天员的舱外活动能力。该计划历时5年，完成了10次环地轨道载人飞行。1966年3月16日发射的“双子星座8”号飞船，与运载它的“火力神”火箭的上面级（即与飞船脱离后也进入轨道的“阿金纳”上面级）首先实现了两个航天器的轨道对接为“阿波罗”计划的正式实施奠定了非常好的基础。
运载火箭的研制
“阿波罗”计划采用月球轨道交会法，使用大推力的“土星”号运载火箭把50吨重的航天器送人月球轨道，航天器本身装有较小的火箭发动机，当它接近月球时，能使航天器减速进人绕月轨道。而且，航天器的登月舱能脱离航天器，载着宇航员登上月球，并返回绕月轨道与“阿波罗”航天器结合，运载火箭研制分两个阶段进行，第阶段研制“土星”1号和1B号，用以获取大型运载火箭的研制经验并进行“阿波罗”号飞船的飞行试验；第二阶段研制“土星”5号巨型3级运载火箭作为飞船登月的运载工具。
载人飞行试验
1968至1569年美国发射了“阿波罗”7、8、9号飞船，进行载人飞行试验，主要作环绕地球，月球飞行和登月舱脱离环月轨道的降落模拟试验，轨道机动飞行和模拟会合，模拟登月舱与指挥舱的分离与对接。1969年5月18日发射的“阿波罗”10号飞船进行了登月全过程的演练飞行，绕月飞行31圈，两名宇航员乘登月舱下降到离月面15．2千米的高度。
登月的实现
通过一系列的试验，美国宇航局在“阿波罗”10号飞行试验结束后，宣布“阿波罗”11号将执行载人登月任务1969年7月16日，巨大的“土星”5号火箭载着“阿波罗”11号月球飞船在肯尼迪航天中心39A发射台点火发射，参加这次登月任务的航天员是内尔·阿姆斯特朗、布兹·奥尔德林、迈克尔·科林斯。1969年7月20日，美国东部时间下午10点56分，阿姆斯特朗踏上月球，首次实现了人类登月的梦想。
登月方案
“阿波罗”登月计划最初有三种方案：第一种是用大型火箭直接把飞船发射至月球轨道的直接登月法；第二种是飞船分段送人地球轨道，再逐一对接后飞向月球的地球轨道会合法；第三种是将飞船送入地球轨道，并推向月球的月球轨道交会法。月球轨道交会方案最终被采用，即将一艘载有3名航天员的飞船发射到月球轨道上，然后2名航天员乘登月舱在月面上降落，进行月面探险；另一名航天员仍留在指挥舱中绕月球飞行，并进行科学实验。返回时，在月面上的2名航天员启动登月舱的上升段发动机，飞上月球轨道，与指挥舱交会对接。2名航天员进入指挥舱后，抛弃登月舱的上升段脱离月球轨道返回地球。在再入大气层前抛弃服务舱，仅指挥舱在太平洋上溅落。
航天员站着登月
“阿波罗”号的航天员们是站着降落在月球的，主要是登月舱最初的设计中为每个航天员在座椅的前方安排了两个窗口。但是这样的窗口设计并不是十分合理因为由于窗口面积过大，照射进舱内的阳光过多，会影响到航天员的视野；此外还因为窗口离航天员的眼睛较远，给航天员在月球着陆过程中对着陆地点的观察也造成了影响。就因为上述种种原因最后有关专家让航天员站着，眼睛靠近窗口向外观察，扩大了视野。
“1202”警报
“阿波罗”11号飞船的登月行动曾经濒临灾难的边缘。当登月舱距离月球表面仅1800米做最后冲刺的时候，舱内计算机显示屏上的黄色警示灯忽然开始闪烁并出现了一个为“1202”的警报代码（“1202”警报代码是指登月舱的计算机随时可能死机），但地面飞行控制员贝尔斯做出了一生中最大胆的决定，对警报不加理睬，让宇航员继续实施降落，事后证明，他的决定是正确的，否则人类此次登月计划便会成为泡影。
登月着陆点
美国的“阿波罗”计划共实现了6发登月，都选择在月球同一面上的不同地区进行着陆。“阿波罗”11号、17号选择在静海地区；“阿波罗”12号在风暴海附近；除“阿波罗”13号飞船因中途发生故障被迫返回地球外“阿波罗”14号登陆在富拉莫·格高地；“阿波罗”15号在亚平宁地区登陆；“阿波罗”16号在开莱平原登陆。