1. 直接觀測系外行星
直接觀測系外行星上世紀90年代初，人類發現了最早一批系外行星。但是，這些系外行星并不是直接觀測到的，而是探測到的。2000年，天文學家通過觀測恒星的光線變化探測到一大批系外行星。2008年，天文學家宣稱，他們分別利用“哈勃”太空望遠鏡和“凱克”天文望遠鏡觀測到了圍繞遙遠恒星運轉的系外行星。兩大天文望遠鏡分別拍下了這些系外星球的照片。
“凱克”天文望遠鏡所觀測到的是一顆名為“HR8799”的恒星周圍的三顆行星�！癏R8799”距離地球大約150光年。“哈勃”太空望遠鏡拍攝到了一顆大質量系外行星，該行星正圍繞“北落師門”恒星運轉，距離地球大約25光年。
2. 證實火星存在水
證實火星存在水2008年，美國宇航局“鳳凰”號火星探測器登陸火星，證實火星上存在水并找到了有機化合物的跡象。
八年前，美國火星全球探測器在火星表面發現了只有流動的水體才會形成的水溝。再近些時候，“火星遠程漫游者”號發現了可能證明火星古代存在水的礦物質。但是，關于現在存在水的證據一直未能找到。“鳳凰”號登陸火星北極后，實施了挖掘采樣和分析研究任務。在一次挖掘中，“鳳凰”號支架上似乎粘上了幾個白色斑點。經科學家對比分析后證實，這些白色斑點就是水冰。這一發現不僅僅證實了火星上存在水，而且再一次激起了人們在火星尋找由這些水所支持的微生命的希望。
3. 檢測到暗物質
檢測到暗物質2006年夏天，天文學家聲稱他們已經找到了暗物質存在的直接證據，盡管他們仍然解釋不清暗物質究竟為何物。這一發現有助于人類更好地理解宇宙。
這一證據來自子彈星簇中兩大星系的正面碰撞。暗物質理論是來自這樣一個事實：星系中可見物質只占星系的五分之一，這些可見物質用來產生重力以保證星系整體的完整性。但是，余下的部分呢？那些望遠鏡所看不到的物質就是暗物質。通過對子彈星簇的觀測，雖然仍然無法解釋何為暗物質，但是這種觀測可以幫助科學家理解暗物質粒子的行為方式。
21世紀初科學最大的謎是暗物質和暗能量。暗物質存在于已知的物質之外，人們目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的構成也和人類已知的物質不同。在宇宙中，暗物質的能量是人類已知物質的能量的5倍以上。
4. 鬩神星的發現和冥王星的降級
鬩神星的發現和冥王星的降級2005年1月，邁克-布朗等科學家在美國帕洛瑪天文臺觀測到“136199 Eris”，即鬩神星。鬩神星體積比冥王星大27%。因此，鬩神星擠掉了冥王星，成為了圍繞太陽公轉的第九大天體。
由于鬩神星體積比冥王星大，它曾經被考慮成為太陽系的第十行星。但由于最近已發現多個與冥王星大小相近的天體，國際天文學聯合會于2006年認為，應該重新考慮行星的定義。于是，鬩神星最終與冥王星一起被劃為矮行星。鬩神星獲得的名稱是“136199 Eris”，而冥王星的名稱為“134340 Pluto”。
5. 發現暗能量
“巡天先進相機”揭示了暗能量的存在。2002年，“哈勃”太空望遠鏡升級后安裝了一個新的設備，即“巡天先進相機”�！把蔡煜冗M相機”揭示了暗能量的存在。
“巡天先進相機”本來是用來幫助科學家研究為什么“Ia”型超新星會比預想的要暗淡�！肮痹趯Τ滦怯^測過程中發現，這些超新星事實上并不暗淡，只不過是因為這些恒星是屬于不同類型的恒星。對此，唯一的解釋就是宇宙膨脹的速度是意想不到的快，這種高速膨脹使得這些恒星看起來很暗淡�！肮钡陌l現讓人們更容易理解究竟何為暗能量。暗能量就是一種不可見的力，它與地心吸力恰恰相反，它只會導致宇宙不斷加速膨脹。暗能量令人感到非常奇怪，以人類已知的核反應為例，反應前后的物質有少量的質量差，這個差異轉化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質的質量全部消失，完全轉化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質能量的14倍以上。
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