Les sondes spatiales transportent des instruments dans l'espace pour effectuer des mesures qui ne peuvent pas être effectuées sur Terre. La température, le spectre, les champs magnétiques et le rayonnement ne constituent que quelques-uns des types de phénomènes mesurés. Les sondes spatiales montent au sommet d'une fusée, puis se séparent et établissent une trajectoire basée sur les instructions des opérateurs terrestres et des instructions préprogrammées à bord. À leur arrivée, les instruments commencent à prendre des mesures et à les retransmettre à la Terre.
Les sondes spatiales transportent généralement un ensemble d'instruments basé sur la mission, un équipement de communication pour transmettre les données et un système de guidage. L'énergie embarquée provient de batteries ou de piles à combustible pour les missions courtes, de panneaux solaires pour la recherche des planètes intérieures ou d'un petit réacteur nucléaire pour les voyages vers les planètes extérieures. Une fois lancées, les sondes spatiales se rendent à leur destination sur leur propre élan. Dans certains cas, une fronde gravitationnelle peut aider à accélérer la sonde en utilisant la force d'attraction d'un autre corps, comme une lune, pour tirer la sonde vers sa destination.
À leur arrivée, les sondes spatiales peuvent survoler leur destination et effectuer des observations pendant leur voyage, leur mise en orbite ou leur descente à la surface. Parfois, une sonde orbite pendant un certain temps, puis, à la fin de sa mission, elle s'écrase sur la planète, transmettant des données jusqu'à ce qu'elle soit détruite.
Parce qu'elles ne sont pas habitées, les sondes spatiales présentent de réels avantages. Ils peuvent mesurer des données dans des environnements très hostiles, comme la surface chaude de Vénus ou les lacs de méthane de Titan, la plus grande lune de Saturne. Ils peuvent effectuer de très longs voyages sans ressources vitales essentielles, telles que l'oxygène, l'eau et la nourriture.
Les premières sondes spatiales lancées dans les années 1950 ont effectué des mesures autour de la Terre et de la Lune. Au début des années 1960, des sondes spatiales ont exploré Vénus et Mars, donnant aux observateurs de la Terre leurs premières données réelles sur ces planètes. Les sondes spatiales vers les grandes planètes extérieures, lancées dans les années 1970, ont fait un certain nombre de découvertes importantes. Voyager 1, lancé en 1977, a d'abord exploré Jupiter et Saturne, puis a été guidé pour explorer l'espace lointain. Il transmet toujours des données lorsqu'il voyage au-delà du système solaire. Dans les années 1980, de nouvelles sondes spatiales ont mis en orbite les planètes extérieures et leurs lunes pour une étude approfondie, renvoyant des milliers d'images ainsi que d'autres données physiques pour analyse.
