Дослідження Юпітера проводилося шляхом спостережень з малої відстані за допомогою автоматичних космічних апаратів. Воно почалося в 1973 році з прибуттям до системи Юпітера космічного апарата «Піонер-10». Станом на 2023 рік відбулося вісім місій космічних апаратів до Юпітера. Усі вони були здійснені Національним управлінням з аеронавтики і дослідження космічного простору (НАСА), і всі, крім двох, були прольотами, під час яких проводилися детальні спостереження без посадки і виходу на орбіту. Завдяки цим місіям Юпітер став найчастіше відвідуваною зовнішньою планетою Сонячної системи, адже в усіх місіях до зовнішніх планет Сонячної системи використовувався гравітаційний маневр під час прольоту повз Юпітер.
Відправлення космічного апарата до Юпітера — непроста задача, здебільшого через великі потреби в паливі та вплив жорсткого радіаційного поля планети. 5 липня 2016 року до Юпітера прибув і вийшов на орбіту навколо нього космічний апарат «Юнона» — це другий апарат, який це зробив.
Першим космічним апаратом, який відвідав Юпітер, був «Піонер-10»: він пролетів повз планету в 1973 році; через рік повз Юпітер пролетів його близнюк «Піонер-11». Окрім перших знімків планети з невеликої відстані, зонди відкрили її магнітосферу та з'ясували, що надра складаються переважно з рідини. У 1979 році Юпітер відвідали зонди «Вояджер-1» і «Вояджер-2». Вони дослідили його супутники і систему кілець, виявили вулканічну активність Іо і знайшли водяний лід на поверхні Європи. Космічний апарат «Улісс» продовжив дослідження магнітосфери Юпітера в 1992 році, а потім ще раз у 2004 році. Зонд «Кассіні» наблизився до планети у 2000 році і зробив дуже детальні знімки її атмосфери. У 2007 році повз Юпітер пролетів космічний апарат New Horizons, зробивши покращені вимірювання параметрів планети та її супутників.
Першим на орбіту навколо Юпітера вийшов космічний апарат «Галілео»: він прибув до планети в 1995 році і вивчав її до 2003 року. За цей період «Галілео» зібрав велику кількість інформації про систему Юпітера, здійснив близькі зближення з усіма чотирма великими Галілеєвими супутниками і знайшов докази наявності тонкої атмосфери на трьох із них, а також підтвердив можливість існування рідкої води під їхньою поверхнею. Він також виявив магнітне поле навколо Ганімеда. Наближаючись до Юпітера, він також став свідком падіння на Юпітер комети Шумейкерів — Леві 9. У грудні 1995 року він відправив атмосферний зонд в атмосферу Юпітера; поки що це єдиний апарат, який зробив це.
У липні 2016 року на орбіту навколо Юпітера вийшов космічний апарат «Юнона», запущений у 2011 році , де він перебуває й досі, продовжуючи виконувати свою наукову програму.
У 2012 році Європейське космічне агентство (ЄКА) в рамках своєї програми Cosmic Vision обрало місію JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) для дослідження трьох із чотирьох галілеєвих супутників Юпітера із можливою посадкою спускного апарата, розробленого Роскосмосом, на Ганімед. Місія JUICE була запущений 14 квітня 2023 року, але після анексії Криму Росією у 2014 році і Російського вторгнення в Україну у 2022 році на багато російських державних підприємств, зокрема на Роскосмос, а також но його тодішнього керівника Дмитра Рогозіна, було накладено міжнародні санкції, і ЄКА довелося відмовитися від російського спускного модуля — він так і не був реалізований.
У жовтні 2024 року НАСА планує запустити космічний апарат Europa Clipper, який досліджувати супутник Юпітера Європу.
Китайське національне космічне управління планує запустити до Юпітера дві місії: у 2024 році — «» (попередня назва — «Міжзоряний експрес») для прольоту повз Юпітерhttps://doi.org/10.12351%2Fks.2305.2091, а приблизно у 2029 році — «» для дослідження Юпітера на його супутника Каллісто.
Дослідження за допомогою телескопів Вивчення планети Юпітер почалося з винаходом на початку XVII століття телескопа-рефрактора. У 1610 році за допомогою першого з таких телескопів Галілео Галілей виявив, що навколо Юпітера обертаються кілька супутників. Чотири найбільші з них — Іо, Європа, Ганімед і Каллісто — згодом були названа на його честь — Галілеєвіhttps://www.oed.com/search/dictionary/?q=Galilean&tl=true. Це відкриття кинуло виклик тогочасній концепції Всесвіту, згідно з якою все, що обертається в космосі, повинно обертатися навколо Землі. Згодом за допомогою дедалі потужніших телескопів було відкрито Велику червону пляму в атмосфері Юпітера, п'ятий супутник — Амальтею (1892), а завдяки спектроскопії — основні компоненти видимої атмосфери Юпітера.
Технічні вимоги до космічних апаратів
Енергія Польоти з Землі до інших планет Сонячної системи потребують величезної кількості енергії. Щоб досягти Юпітера з земної орбіти, космічному апарату потрібно майже стільки ж енергії, скільки потрібно для виведення його на навколоземну орбіту. В астродинаміці ці витрати енергії визначаються чистою зміною швидкості космічного апарата — дельта-v. Енергія, необхідна для досягнення Юпітера з навколоземної орбіти, вимагає дельта-v близько 9 км/с, тоді як для досягнення низької навколоземної орбіти вимагає 9,0—9,5 км/с.
Потребу в енергії, а отже й у паливі, можна суттєво скоротити за рахунок так званих гравітаційних маневрів — тобто скориставшись гравітацією планет (наприклад, Землі або Венери) під час прольотів повз них. Ціною такої економії зазвичай є значне збільшення тривалості польоту порівняно з траєкторією безпосереднього перельоту. На космічному апараті Dawn використовувалися іонні двигуни, здатні змінити швидкість більше ніж на 10 км/с — цього більш ніж достатньо, щоб здійснити проліт повз Юпітер із сонячної орбіти того ж радіуса, що й у Землі, не виконуючи гравітаційних маневрівCRC Handbook of Chemistry and Physics, 64th EDITION, (C) 1983, page F-141.
Неможливість приземлитися Серйозною проблемою під час відправлення космічних зондів до Юпітера є те, що планета не має твердої поверхні, на яку можна було б приземлитися: його атмосфера поступово переходить у рідкі надра. Будь-який зонд, який спускається в атмосферу, врешті-решт буде розчавлений величезним тиском всередині Юпітера.
Радіація Іншою важливою проблемою є потужність радіації, якій піддається космічний зонд, входячи в середовище заряджених частинок навколо Юпітера. Наприклад, коли «Піонер-11» наблизився до Юпітера на найменшу відстань, рівень радіації виявився вдесятеро потужнішим, ніж передбачали його розробники, і це викликало побоювання, що апарат її не витримає. З кількома незначними збоями йому вдалося пройти через радіаційні пояси, але він втратив більшість зображень Іо, оскільки під дією радіації «Піонера» отримував хибні команди. Наступний, набагато технологічніший космічний апарат «Вояджер» довелося переробити, щоб він витримав радіацію такої потужності. За вісім років перебування на орбіті планети космічний апарат «Галілео» отримав значно більшу дозу радіації, ніж передбачалося в проєкті, і через це його системи кілька разів відмовляли. Гіроскопи апарата часто показували підвищену кількість похибок, а між його обертовою і необертовою частинами іноді виникали електричні дуги, через що апарат переходив у безпечний режим. З цієї ж причини були повністю втрачені дані з 16-ї, 18-ї та 33-ї орбіт. Радіація спричинила також фазові зсуви в надстабільному кварцовому генераторі «Галілео»https://ieeexplore.ieee.org/document/1134214/.
Польотні місії
Програма «Піонер» (1973 і 1974 роки) Першим космічним апаратом, який досліджував Юпітер, був «Піонер-10», який пролетів повз планету в грудні 1973 року; 12 місяців по тому повз Юпітер пролетів його близнюк — «Піонер-11». «Піонер-10» отримав перші зображення Юпітера та Галілеєвих супутників зблизька, дослідив атмосферу планети, виявив його магнітне поле, спостерігав радіаційні пояси і визначив, що Юпітер є переважно рідиною. 4 грудня 1974 року «Піонер-11» пролетів на мінімальній відстані від вершин хмар Юпітера — близько 34 000 км. Він отримав вражаючі зображення Великої червоної плями, зробив перше спостереження величезних полярних областей Юпітера і визначив масу супутника Юпітера Каллісто. Інформація, зібрана цими двома космічними апаратами, допомогла астрономам та інженерам вдосконалити конструкцію майбутніх космічних апаратів.
Програма «Вояджер» (1979 рік) «Вояджер-1» почав фотографувати Юпітер у січні 1979 року і максимально наблизився до нього 5 березня 1979 року — на відстань 349 000 км від центру Юпітера. Така невелика відстань дала змогу отримати зображення більшої роздільної здатності. Більшість спостережень за супутниками, кільцями, магнітним полем і радіаційним середовищем Юпітера були зроблені протягом 48-годинного періоду після зближення, проте «Вояджер-1» продовжував фотографувати планету до квітня 1979 року.
Невдовзі проліт повз Юпітер здійснив «Вояджер-2»: його максимальне наближення до планети відбулося 9 липня 1979 року на відстані 576 000 км від хмар планети. Зонд відкрив кільце Юпітера, спостерігав складні вихори в його атмосфері, активні вулкани на Іо, процес, аналогічний тектоніці плит, на Ганімеді, і численні кратери на Каллісто.
«Вояджери» значно покращили наше розуміння Галілеєвих супутників, а також відкрили кільця Юпітера. Вони також зробили перші знімки атмосфери планети зблизька, виявивши, що Велика червона пляма — це складний шторм, який рухається проти годинникової стрілки. Скрізь у смугастих хмарах були виявлені інші, менші бурі та вихори (див. анімацію праворуч). На орбітах, безпосередньо за межами кільця було виявлено два нові невеликі супутники, Адрастею і Метіду. Це були перші супутники Юпітера, виявлені космічним апаратом. Між орбітами Амальтеї та Іо був виявлений третій супутник — Фебаhttps://www.astro.umd.edu/~hamilton/research/preprints/BurSimSho03.pdf.
Найбільшою несподіванкою місії стало відкриття вулканічної активності на супутнику Іо: це був перший випадок, коли активний вулкан спостерігався на іншому небесному тілі, окрім Землі. Разом «Вояджери» зафіксували виверження дев'яти вулканів на Іо, а також знайшли докази інших вивержень, що відбувалися між зустрічами «Вояджерів».
На фотографіях Європи, зроблених «Вояджером-1» із низькою роздільною здатністю, видно велику кількість лінійних об'єктів, що перетинаються. Спочатку вчені вважали, що це глибокі тріщини, спричинені розломами кори або тектонічними процесами. Фотографії з високою роздільною здатністю з «Вояджера-2», зроблені ближче до Юпітера, спантеличили вчених, оскільки на цих фотографіях топографічний рельєф майже повністю відсутній. Це змусило багатьох припустити, що ці тріщини можуть бути схожими на земну кригу, і що Європа може мати рідку воду всередині. Європа може бути внутрішньо активною через приливне нагрівання на рівні приблизно однієї десятої від рівня Іо, і в результаті вважається, що цей супутник має кору з водяного льоду завтовшки менше 30 кілометрів, і цей лід, імовірно, плаває в океані глибиною 50 кілометрів.
Космічний корабель «Улісс» (1992, 1994) 8 лютого 1992 року сонячний зонд «Улісс» пролетів повз північний полюс Юпітера на відстані 451 000 км. Цей гравітаційний маневр був необхідний для того, щоб «Улісс» вийшов на дуже високо нахилену орбіту навколо Сонця, збільшивши її нахил до екліптики до 80,2°https://web.archive.org/web/20051214075825/http://www.aiaa.org/Spaceops2004Archive/downloads/papers/SPACE2004sp-template00447F.pdf. Гравітація гігантської планети викривила траєкторію польоту космічного апарата вниз і вбік від площини екліптики, виводячи його на остаточну орбіту навколо північного й південного полюсів Сонця. Віддаленість і форма орбіти зонда були скориговані в значно меншій мірі, так що його афелій залишився на відстані приблизно 5 а. о. (відстань Юпітера від Сонця), а перигелій — дещо далі 1 а. о. (відстань Землі від Сонця). Під час зустрічі з Юпітером зонд провів вимірювання магнітосфери планети. Оскільки зонд не був обладнаний камерами, жодних зображень він не зробив.
У лютому 2004 року зонд знову наблизився до Юпітера. Цього разу відстань до планети була значно більшою — близько 120 млн км (0,8 а. о.) — але він продовжив спостереження за Юпітером.