1. 直接观测系外行星
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
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
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
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
“巡天先进相机”揭示了暗能量的存在。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。
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