Trochę teorii
Początki
Już od najdawniejszych czasów zagadnienia związane z powstaniem i poznaniem Wszechświata znajdowały się w kręgu zainteresowania nauki. Wiele naukowych teorii, uznawanych początkowo za słuszne, z czasem zostało zweryfikowanych i obalonych. Tak właśnie stało się między innymi z poglądem sławnego greckiego astronoma Ptolemeusza, który utrwalił teorię geocentrycznejteorię geocentrycznej budowy świata. Według niego nieruchoma Ziemia zajmowała środek świata, a Słońce, planety i wszystkie gwiazdy krążyły wokół niej.
Musiało upłynąć kilka wieków, aby doszło do zmiany w sposobie patrzenia ludzi na Wszechświat. Zmianę tę wywołało opublikowanie w 1543 roku przez genialnego polskiego naukowca Mikołaja Kopernika dzieła O obrotach sfer niebieskich.
Zaprezentowanymi w swoim dziele poglądami Mikołaj Kopernik podważył panujący w starożytnej i średniowiecznej nauce pogląd o nieruchomości Ziemi, wprowadzając nowy, heliocentrycznyheliocentryczny model kosmologiczny. Był to model Układu Słonecznego, w którym to Ziemia krąży wokół Słońca. Ta swoista rewolucja, jakiej dokonał Mikołaj Kopernik w sposobie patrzenia ludzi na Wszechświat, nosi nazwę przewrotu kopernikańskiego. Zgodnie z tą rewolucyjną teorią, pozorny ruch dzienny Słońca, planet, gwiazd i Księżyca wynika z tego, że Ziemia obraca się wokół własnej osi (ten ruch trwa 24 godziny i wyjaśnia następstwo dnia i nocy). To właśnie Mikołaj Kopernik jest twórcą nie tylko teorii heliocentrycznej, ale także teorii o obiegowym i obrotowym ruchu Ziemi. Kolejny wybitny uczony, gdańszczanin Jan Heweliusz, swoich największych odkryć dokonał wiek po Koperniku. Jest on znany przede wszystkim jako obserwator Księżyca i twórca dzieła Selenografia z 1647 roku. Jego opisy Księżyca były przez 150 lat źródłem wiedzy dla całej Europy. Ten astronom znany jest również ze stworzenia Atlasu ciał niebieskich będącego katalogiem gwiazd, w którym umieszczone są liczne rysunki przedstawiające gwiazdozbiory. Jan Heweliusz, dzięki precyzji swoich metod badawczych, stworzył najdokładniejszą mapę nieba tamtych czasów.
Kolejni naukowcy: Giordano Bruno, Galileusz, Johannes Kepler i Isaac Newton kontynuowali poglądy zaprezentowane przez Mikołaja Kopernika. Włoski filozof Giordano Bruno, oprócz odważnego propagowania teorii Kopernika w XVI w., rozpowszechniał pogląd, że Słońce jest jedną z gwiazd, a we Wszechświecie może być wiele planet zamieszkanych.
Galileusz pracował na przełomie XVI i XVII wieku, dostarczając znaczących argumentów, przemawiających za prawdziwością teorii heliocentrycznej. Zaobserwował pełny cykl faz Wenus i odkrył system czterech księżyców przy Jowiszu.
Z kolei niemiecki astronom Johannes Kepler stworzył trzy astronomiczne prawa opisujące ruch planet wokół Słońca. Wynikało z nich jednoznacznie, że planety nie mogą krążyć wokół Słońca po okręgach, a odpowiednią krzywą dla ruchu planet jest elipsa. Swoje rezultaty opublikował w roku 1609 w dziele Astronomia Nova.
Teoria grawitacji (prawo powszechnego ciążenia) i zasady mechaniki zostały opracowane przez angielskiego fizyka, matematyka i astronoma Isaaka Newtona. Uzasadniły obraz Układu Słonecznego wprowadzony przez Keplera i praktycznie rozstrzygnęły o obaleniu teorii geocentrycznej. Zaprezentowane przez Newtona w dziele Principia (1687 r.) prawo powszechnego ciążenia, za pomocą prostych wzorów potrafi opisać ruch planet po elipsach w Układzie Słonecznym. Za pomocą teorii grawitacji można było wytłumaczyć widoczne ruchy ciał.
Współczesność
W następnych latach kolejni naukowcy dokonywali coraz to nowszych odkryć przybliżających nas do udzielenia odpowiedzi na pytanie, jak powstał Wszechświat.
Vesto Slipher – mgławice spiralne i analiza modelu Wszechświata
Slipher to amerykański naukowiec, który podczas badania mgławic spiralnych (galaktyk spiralnych), odkrył tzw. ucieczkę mgławic spiralnych. Teoria ucieczki mgławic spiralnych jest jednym z najważniejszych przełomów udowadniających oddalanie się odległych obiektów astronomicznych. Slipher już w 1912 roku zmierzył pierwsze przesunięcia ku czerwieni w widmach galaktyk.
Albert Einstein – ogólna teoria względności i Wszechświat statyczny
Teoria Einsteina oparta jest na podstawowym założeniu, że masa „bezwładna” i „grawitacyjna” są nieodróżnialne (masa bezwładna to masa występująca w zasadach dynamiki Newtona, a masa grawitacyjna – masa występująca w prawie powszechnego ciążenia). Ogólną teorię względności przedstawia się w pewnych równaniach zwanych równaniami pola grawitacyjnego. Wyrażona jest w nich naczelna zasada ogólnej teorii względności: „rozkład masy generuje strukturę geometryczną czasoprzestrzeni”. Rozwiązania tych równań dostarczają konkretnych modeli kosmologicznych.
Willem de Sitter – kosmologiczny model Wszechświata bez materii
Dwa miesiące po publikacji artykułu Einsteina (1917 r.) na temat statycznego modelu Wszechświata Willem de Sitter przedstawił własny model kosmologiczny. Był to model Wszechświata bez materii, tzw. pusty Wszechświat de Sittera. Autor wyszedł z założenia, że jego model będzie statyczny. Był przekonany, że Wszechświat istotnie taki jest, mimo dostrzegania pewnych własności dynamicznych. De Sitter wykazał, że jedną z własności jego modelu jest rozbieganie się cząstek próbnych oraz zmniejszanie się częstotliwości światła wraz ze zmianą odległości od obserwatora. Analiza zachowania się cząstek próbnych w modelu kosmologicznym jest jedną z metod badania właściwości modelu. Pusty model de Sittera stał się podwaliną pod kolejne dynamiczne propozycje rozwiązań równań pola. Ze względu na swoją prostotę do dzisiaj bywa wykorzystywany w kosmologii jako dogodny punkt wyjścia do dalszych obliczeń.
Aleksander Friedman – pierwszy model Wszechświata dynamicznego
Friedman to fizyk i twórca modelu Wszechświata dynamicznego. Jego hipotezy były podstawą do stworzenia teorii Wielkiego Wybuchu. Według Aleksandra Friedmana statyczna koncepcja Einsteina oraz pusty świat de Sittera są jedynie pewnymi skrajnymi przypadkami, zaś między nimi jest szereg pośrednich rozwiązań.
Edwin Hubble – Wielki Wybuch i jego skutek, czyli rozszerzanie się Wszechświata
W latach 1923‑1924 udowodnił istnienie Drogi MlecznejDrogi Mlecznej. Dzięki teleskopowi Hookera odkrył jasne gwiazdy (cefeidy) zmieniające pulsacyjnie swoją intensywność świecenia. Za pomocą obliczeń Hubble udowodnił występowanie innych galaktyk, które wcześniej uważano za mgławice gwiazd. Dzięki temu potwierdził istnienie innych galaktyk we Wszechświecie. Stworzył w ten sposób podstawy teorii Wielkiego Wybuchu. Kolejnym odkryciem Hubble’a było stworzenie prawa mówiącego o zależności między prędkością i odległością galaktyk (tzw. prawo Hubble’a), dzięki czemu powstała teoria Wielkiego Wybuchu i jego skutku, czyli rozszerzania się Wszechświata.
Stephen Hawking – teoria równoległych wszechświatów i hipoteza, że Wszechświat jest hologramem
Ten fizyk teoretyk przez czterdzieści lat badał czarne dziury i grawitację kwantową. Zajmował się tymi zagadnieniami wraz z Rogerem Penrosem. Stworzyli oni koncepcję funkcjonowania osobliwości w ogólnej teorii względności oraz teoretyczny dowód emisji z czarnych dziur promieniowania tzw. promieniowania Hawkinga.
Współcześni polscy astronomowie i ich odkrycia tworzące podwaliny wiedzy astronomicznej
Kazimierz Kordylewski i jego pyłowe księżyce
Ten polski naukowiec odkrył pyłowe księżyce nazwane jego nazwiskiem (Księżyce Kordylewskiego), które są obłokami drobinek materii. Te miejsca, inaczej nazywane punktami Lagrange’a, to obszary w układzie dwóch ciał powiązanych grawitacyjnie, w których, gdy umieścimy ciało o masie pomijalnej, będzie ono w spoczynku.
Bohdan Paczyński – ewolucja gwiazd, rozbłyski gamma i mikrosoczewkowanie grawitacyjne
Polski astrofizyk i astronom badający rozbłyski gamma, ewolucję gwiazd oraz mikrosoczewkowanie grawitacyjne. Twórca programu OGLE (The Optical Gravitation Lensing Experiment). Dzięki teleskopowi znajdującemu się w Chile, obserwował najgęstsze obszary nieba: zgrubienie centralne Drogi Mlecznej, Wielki oraz Mały Obłok Magellana. Program OGLE przyczynił się do wielu odkryć i potwierdził wcześniejsze dokonania i teorie np. zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego, które zostało przewidziane przez ogólną teorię względności Einsteina. Za pomocą teleskopu w Chile odkryto 30 planet pozasłonecznych, w tym 20 jest związanych ze swoją gwiazdą macierzystą.
Aleksander Wolszczan – odkrywca planet pozasłonecznych krążących wokół nowo odkrytego rodzaju pulsara
Pierwszy na świecie odkrył planety pozasłoneczne, które krążyły wokół nowo zaobserwowanego rodzaju pulsara. Ówcześnie uważano, iż planety występują jedynie wokół gwiazd ciągu głównego, ponieważ wybuch supernowej, w wyniku którego powstają gwiazdy neutronowe, powinien zniszczyć cały układ. Aleksander Wolszczan dokonał jednego z najbardziej przełomowych odkryć w dziejach nowoczesnej radioastronomii.
Teleskop Kosmiczny Hubble’a
Teleskop Kosmiczny Hubble’a to satelitarne obserwatorium astronomiczne skonstruowane przez NASA (przy współudziale ESA), jeden z najważniejszych instrumentów astronomicznych XX w. Wyniesiony na orbitę okołoziemską (610 km) 24 IV 1990 przez wahadłowiec Discovery. Teleskop Kosmiczny Hubble’a jest wyposażony w największe spośród dotychczas umieszczonych na orbicie zwierciadło o średnicy 2,4 m. Posiada zdolności rozdzielcze 0,1″, sprzężone z 5 przyrządami optycznymi (2 kamery, 2 spektrografy, 1 fotometr) działającymi w zakresie światła widzialnego, promieniowania nadfioletowego i w bliskiej podczerwieni. Zasilany jest bateriami słonecznymi, a stabilizację i orientację trójosiową w przestrzeni zapewnia zespół żyroskopów. Dzięki wyniesieniu ponad atmosferę ziemską Teleskop Kosmiczny Hubble’a ma zdolność rozdzielczą i zakres widmowy niedostępne dla teleskopów naziemnych, co umożliwia zidentyfikowanie obiektów znacznie odleglejszych i o kilkadziesiąt razy słabiej widocznych od identyfikowanych poprzednio, w tym także w tłumionym przez atmosferę ziemską bliskim nadfiolecie i podczerwieni. Do najważniejszych osiągnięć Teleskopu Kosmicznego Hubble’a można zaliczyć obserwacje powstawania i ewolucji gwiazd, w tym początkowych i końcowych stadiów ich życia (m.in. szczegółowe obserwacje supernowych oraz mgławic planetarnych), obserwacje centrów galaktyk, w tym i naszej (co umożliwiło wykazanie istnienia w nich masywnych czarnych dziur), obserwacje obiektów powstałych po wystąpieniu błysków gamma (rozbłyski gamma), a także obserwacje morfologii i ewolucji bardzo odległych, a zatem powstałych w znacznie młodszym Wszechświecie, galaktyk. Badania przeprowadzone za pomocą Teleskopu Kosmicznego Hubble’a umożliwiły wyznaczenie ze znacznie większą dokładnością niż poprzednio stałej Hubble’a (a dzięki niej wieku Wszechświata) i odkrycie faktu rosnącej prędkości jego ekspansji.
Eksploracja kosmosu
Eksploracja kosmosu to fizyczne badanie przestrzeni kosmicznej wykonywane przez bezzałogowe próbniki oraz załogowe pojazdy kosmiczne. Postęp technologiczny, który pozwolił na budowę dużych silników rakietowych w pierwszej połowie XX w., umożliwił eksplorację kosmosu. Współcześnie głównym jej celem jest postęp naukowy oraz zapewnienie przetrwania ludzkości na wypadek globalnej katastrofy.
Eksploracja kosmosu była wykorzystywana w polityce globalnej podczas zimnej wojny prowadzonej między Stanami Zjednoczonymi oraz ZSRR; dzięki wyścigowi dwóch mocarstw osiągnięto wielkie postępy. 4 października 1957 roku ZSRR umieściło na orbicie ziemskiej pierwszego sztucznego satelitę - Sputnik 1, natomiast Stany Zjednoczone 20 lipca 1969 r. w misji Apollo 11 doprowadziło do pierwszego lądowania człowieka na Księżycu.
Jurij Gagarin i pierwszy lot w Kosmos
Gagarin Jurij A. (9 III 1934 - 27 III 1968) - sowiecki kosmonauta i pułkownik lotnictwa. W 1957 ukończył szkołę lotniczą w Orenburgu, a w 1968 — Akademię Techniczną Lotnictwa w Moskwie. Od 1960 roku działał w pierwszym zespole sowieckich astronautów, któremu zaczął dowodzić rok później. 12 IV 1961 jako pierwszy człowiek odbył lot kosmiczny trwający 108 minut. Odbył się on po orbicie satelitarnej Ziemi w statku kosmicznym Wostok 1. Podczas podróży dokonał jednokrotnego okrążenia Ziemi. Wraz ze swoim instruktorem zginął podczas lotu treningowego. Przyczyny wypadku nie zostały wyjaśnione. Po jego śmierci Międzynarodowa Federacja Lotnicza ustanowiła złoty medal jego imienia. Imię Gagarina nadano m.in. Wojskowej Akademii Lotniczej w Moskwie, centrum przygotowania astronautów, miastu rodzinnemu astronauty (Gżack) oraz jednemu z kraterów na Księżycu.
Pierwszy sztuczny satelita
Sputnik to seria pierwszych wyprodukowanych w ZSRR (i pierwszych na świecie) sztucznych satelitów Ziemi, przeznaczonych do sprawdzenia możliwości realizacji lotów kosmicznych, funkcjonowania urządzeń i aparatury w warunkach lotu orbitalnego oraz łączności między Ziemią a statkiem kosmicznym. Używane również do prowadzenia badań promieniowania elektromagnetycznego i korpuskularnego Słońca, mikrometeoroidów oraz pól magnetycznych i elektrycznych w przestrzeni okołoziemskiej. W latach 1957–1961 odbyło się 8 lotów satelitów tej serii - Sputnik 1 (start 4 X 1957) był pierwszym sztucznym satelitą Ziemi, w Sputniku 2 (start 3 XI 1957) wyniesiono na orbitę pierwszą istotę żywą — psa Łajkę. 5 ostatnich satelitów noszących nazwę Sputnik‑Korabl było prototypami statków załogowych Wostok, a celem ich lotów było badanie możliwości realizacji lotu kosmicznego z człowiekiem na pokładzie. Podczas lotu Sputnik‑Korabl 2 (start 19 VIII 1960) przeprowadzono pierwszą na świecie udaną próbę sprowadzenia istot żywych (psów) z orbity okołoziemskiej na powierzchnię Ziemi.
Próbniki kosmiczne
Mariner - zapoczątkowana w 1962 r. seria amerykańskich próbników kosmicznych używanych do prowadzenia badań planet grupy ziemskiej. Mariner 4 (start w listopadzie 1964 r.) dokonał pierwszego przelotu w niewielkiej odległości od Marsa (8700 km od powierzchni) i przekazał wykonane z bliska zdjęcia planety. Mariner 5 minął w 1967 r. Wenus w odległości ok. 4000 km. Mariner 9 stał się w roku 1971 pierwszym w historii sztucznym satelitą Marsa - przekazał ponad 7000 zdjęć planety i jej satelitów - Phobosa i Deimosa. Dokonał wstępnego wyszukania miejsc odpowiednich do lądowania wysyłanych w następnych latach próbników Viking, zidentyfikował różne formy powierzchni Marsa, w tym ze śladami erozji wodnej i wietrznej. Mariner zbliżył się do Wenus na odległość 5770 km, wykonał zdjęcia pokrywy chmur, przeprowadził badania pola magnetycznego oraz cyrkulacji atmosfery planety, następnie, wykorzystując oddziaływanie pola grawitacyjnego planety, został wprowadzony na trajektorię heliocentryczną ku Merkuremu. 29 marca 1974 r., jako pierwszy obiekt ziemski, zbliżył się do Merkurego na odległość ok. 750 km. Dokonał 2 kolejnych przelotów w odległości ok. 48 000 km i 318 km od planety. Przekazał ok. 3000 szczegółowych obrazów powierzchni Merkurego, przeprowadził badania atmosfery, pola magnetycznego oraz promieniowania korpuskularnego w jego otoczeniu.
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ang. International Space Station) to centrum badawcze pełniące funkcję interdyscyplinarnego załogowego laboratorium kosmicznego. Pierwszy człon stacji — rosyjski moduł ładunkowo‑zasilający Zaria [zorza], został wyniesiony na orbitę okołoziemską 20 XI 1998 r. za pomocą rakiety Proton, następnie w grudniu 1998 r. został do niego dołączony amerykański moduł‑łącznik Unity [jedność] dostarczony w luku ładunkowym wahadłowca Endeavour. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna jest obsadzona stale przez 2-, 3‑osobowe (docelowo 7‑osobowe) amerykańsko‑rosyjskie załogi (pierwsza od listopada 2000 r.). Drużyny odpowiedzialne są za bieżącą obsługę techniczną urządzeń stacji i instrumentów badawczych. Większe prace montażowe oraz eksperymenty naukowe i techniczne są wykonywane głównie przez międzynarodowe ekspedycje krótkoterminowe. W 2003 r. budowa Międzynarodowej Stacji Kosmicznej została przerwana z powodu wstrzymania lotów amerykańskich wahadłowców będącego następstwem katastrofy wahadłowca Columbia (1 II 2003). Wznowienie lotów nastąpiło w 2005 r. (Discovery). Międzynarodowa Stacja Kosmiczna krąży wokół Ziemi po prawie kołowej orbicie oddalonej od powierzchni planety o ok. 350 km, w płaszczyźnie nachylonej do płaszczyzny równika pod kątem ok. 52° (w 2006 roku miała ona rozmiary 73 × 44,5 × 27,5 m i masę 187 t). Do 2006 w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej kolejne załogi wykonały ok. 190 różnych eksperymentów naukowych i technicznych. W badaniach zakłóceń, jakie Międzynarodowa Stacja Kosmiczna wnosi w elektromagnetyczne otoczenie Ziemi, uczestniczy Centrum Badań Kosmicznych PAN. W budowie i eksploatacji Międzynarodowej Stacji Kosmicznej bierze udział ok. 100 tysięcy osób i ok. 500 instytucji i firm z 16 krajów.
W pierwszych dwudziestu latach eksploracji kosmosu skupiono się stworzeniu amerykańskiego programu lotów wahadłowych. Pozwolił on na zrezygnowanie z jednorazowych lotów na rzecz sprzętu wielokrotnego użytku, zaś rywalizacja między mocarstwami zmieniła się we współpracę, czego dowodem jest stworzenie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Sektor prywatny na początku lat 90. ubiegłego wieku rozpoczął prace nad prowadzeniem turystyki kosmicznej. Międzynarodowe rządowe agencje pracują zaś nad kolejnymi lotami człowieka na Księżyc oraz na Marsa, planowanymi na rok 2030.
Praktyczna realizacja lotów kosmicznych wymagała pokonania istotnych problemów konstrukcyjno‑technicznych oraz opanowania techniki wynoszenia obiektów kosmicznych na orbity wokółziemskie, a następnie trajektorie międzyplanetarne. Wyzwaniem było także przeprowadzania zmian orbity podczas lotu, co stało się możliwe dzięki zastosowaniu wielostopniowych rakiet nośnych oraz silników rakietowych. Istotnym problemem, zwłaszcza dotyczącym wypraw załogowych, było sprowadzenie statku z orbity na Ziemię, jego bezpieczne przejście przez atmosferę i łagodne lądowanie. Wiązało się to z koniecznością opracowania niezawodnych układów ochrony (osłony) termicznej i lądowania oraz wyposażenia w nie statków. W miarę wzrostu stopnia złożoności misji kosmicznych niezbędne stało się również opanowanie operacji miękkiego lądowania (wykorzystywanych przez ekspedycje księżycowe w programie Apollo oraz próbniki planet Układu Słonecznego), jak również operacji rozłączania i łączenia statków bądź ich członów na orbicie. Były one wielokrotnie stosowane w różnych wyprawach kosmicznych (np. w trakcie misji księżycowych programu Apollo, lotów ku stacjom orbitalnym, misji Sojuz–Apollo i in.).
Istotnymi etapami w rozwoju współczesnej astronautyki było umieszczenie na orbicie stacji kosmicznych i wprowadzenie do eksploatacji statków kosmicznych wielokrotnego użytku. Wydłużenie czasu pobytu astronautów w kosmosie i zwiększenie częstotliwości lotów kosmicznych wpłynęło na efektywność misji kosmicznych.
Przedsięwzięcia te wymagały opracowania niezawodnych rozwiązań technicznych dotyczących: układów sterowania, nawigacji, łączności, zasilania w energię, kontroli warunków lotu, klimatyzacji, lądowania i in. Konieczne stało się zapewnienie załogom warunków egzystencji, zarówno wewnątrz statku, jak i poza nim, co wiązało się ze stworzeniem odpowiedniego środowiska fizykochemicznego w kabinie (skład atmosfery, ciśnienie, temperatura) oraz skutecznej ochrony przed środowiskiem kosmicznym (promieniowanie kosmiczne, meteoroidy, aerodynamiczne nagrzewanie statku podczas przechodzenia przez atmosferę). Istotną kwestią było również przygotowanie i przystosowanie załogi do warunków lotu kosmicznego i jego oddziaływania na organizm ludzki (przeciążenia startowe, nieważkość, niedotlenienie, czynniki psychologiczne). Dodatkowym czynnikiem warunkującym realizację lotów kosmicznych było stworzenie infrastruktury urządzeń naziemnych obejmującej: kosmodromy, ośrodki dowodzenia i kontroli lotu, sieć stacji śledzących, ośrodki transmisji danych i in. W związku z rozwojem badań kosmosu i jego opanowywaniem powstało międzynarodowe prawo kosmiczne, stopniowo rozszerzane i uściślane.
W XXI wieku intensywnie zaczęła się rozwijać także prywatna astronautyka. Obejmuje ona różnorodne inicjatywy, od prywatnych lotów kosmicznych po rozwój technologii kosmicznych. Na przykład firmy takie jak SpaceX i Blue Origin oferują loty kosmiczne dla turystów, a także loty na Międzynarodową Stację Kosmiczną.
Rola badań kosmicznych w rozwoju świata
Astronautyka odgrywa istotną rolę w procesie rozwoju cywilizacyjnego, zarówno pod względem poznawczym, jak i praktycznym. Umożliwia eksplorację przestrzeni Układu Słonecznego, poznawanie znajdujących się w nim ciał, ich właściwości i panujących tam warunków fizycznych. Dzięki obserwacjom wykonywanym przez specjalistyczne satelity astronomiczne w różnych zakresach promieniowania możliwe było odkrycie nowych klas obiektów kosmicznych. Zwielokrotnieniu uległa liczba obserwowanych ciał, łatwiejsze stały się obserwacje bardzo odległych obiektów we Wszechświecie, powstałych we wczesnych stadiach jego ewolucji. Z kolei loty załogowe, zwłaszcza te połączone z długotrwałym pobytem astronautów w stacjach kosmicznych, umożliwiają zdobycie bezpośrednich informacji o wpływie warunków lotu na organizm ludzki w aspekcie fizycznym i psychicznym i o możliwości jego adaptacji do tychże warunków. Jest to niezbędne do określenia perspektyw i zakresu przebywania człowieka w kosmosie w większym niż dotychczas stopniu (np. w trakcie zasiedlania przyszłych stacji kosmicznych).
Specyfika warunków lotu kosmicznego (nieważkość) jest wykorzystywana także do celów technologicznych, np. do wytwarzania unikatowych materiałów w warunkach mikrograwitacji. Astronautyka, poprzez umieszczanie na orbitach wokółziemskich specjalistycznych satelitów, wywiera coraz bardziej znaczący, praktyczny wpływ na wiele dziedzin życia na Ziemi, szczególnie w sferach: telekomunikacji, łączności satelitarnej, meteorologii, nawigacji, monitorowania zasobów naturalnych, stanu wód, produkcji rolniczej itp. Astronautyka jest również pośrednim stymulatorem rozwoju poprzez wymuszanie innowacyjnych rozwiązań technologicznych (m.in. w zakresie inżynierii materiałowej), a także elektronicznych charakteryzujących się dużą niezawodnością, odpornością na ekstremalne warunki zewnętrzne, miniaturyzacją i energooszczędnością. Z czasem znajdują one zastosowanie w urządzeniach codziennego użytku.
Realizacją lotów kosmicznych oraz praktycznym ich wykorzystaniem zajmują się wyspecjalizowane agencje kosmiczne (NASA, ESA, NASDA, Rosyjska Agencja Kosmiczna), organizacje i programy międzynarodowe (Intelsat, Inmarsat i in.) oraz instytucje wojskowe. W dotychczasowym podboju kosmosu największy udział miały Stany Zjednoczone i ZSRR, a w dalszej kolejności: Japonia, Francja, RFN, Wielka Brytania, Chiny, Indie (własne satelity i rakiety nośne). Prace badawcze i wymianę informacji prowadziły bądź prowadzą różne placówki naukowe, m.in.: w Stanach Zjednoczonych — Ames Research Center w Mofett Field (Kalifornia), Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie (Kalifornia), Goddard Space Flight Center w Greenbelt (Maryland), oraz ośrodki uniwersyteckie — m.in. Instytut Badań Kosmicznych Rosyjskiej Akademii Nauk w Moskwie, Instytut Magnetyzmu Ziemskiego, Jonosfery i Propagacji Fal Radiowych (IZMIRAN) w Troicku, Centrum Europejskiej Agencji Kosmicznej ESTEC w Noordwijk (Holandia), a w Polsce m.in. Centrum Badań Kosmicznych PAN, Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej, Politechnika Warszawska i in. Funkcję koordynująco‑informacyjną w zakresie astronautyki i badań kosmosu pełnią organizacje i stowarzyszenia międzynarodowe (Komitet do spraw Badań Przestrzeni Kosmicznej COSPAR, Międzynarodowa Federacja Astronautyczna i in.) oraz krajowe (Polskie Towarzystwo Astronautyczne).
Do tej pory dwóch Polaków odbyło lot w kosmos. Pierwszym był Mirosław Hermaszewski, który w 1978 r. w ramach radzieckiej misji kosmicznej odbył lot w statku kosmicznym Sojuz‑30. Natomiast w 2025 r. Sławosz Uznański‑Wiśniewski w był pierwszym naszym rodakiem, który wykonywał badania naukowe na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.