우주 탐사선을 통한 탐사
1973년부터 지금까지 수많은 무인 우주 탐사선들이 목성에 방문하였습니다. 그중 가장 유명한 것은 파이오니어 10호로, 처음으로 목성에 가까이 접근하여 태양계에서 가장 큰 행성의 특성과 그곳에서 발생하는 현상을 상세하게 보여준 우주 탐사선입니다. 태양계 내의 다른 행성으로 우주 비행을 하기 위해서는 우주선 속도의 순변화량, 또는 델타 v로 표현되는 에너지가 요구됩니다. 지상에서 지구 저궤도에 이르기 위해 요구되는 델타 v는 9.7 km/s인데, 지구 저궤도에서 목성까지 호만 전이 궤도로 비행하기 위해서는 6.3 km/s라는 상당한 양의 델타 v가 요구됩니다. 때문에 이러한 방법으로 목성을 향하기는 어렵습니다. 그러나 다행히도, 우주 비행에 더 오랜 시간이 소요되긴 하지만 행성의 플라이바이를 통한 중력도움으로 목성에 도착하는데 필요한 에너지의 양을 줄일 수가 있습니다.
플라이바이 임무
1973년 초, 몇몇의 우주선들이 행성을 이용한 플라이바이 항법을 통해 목성 관측 범위로 방향을 돌렸습니다. 이러한 파이오니어 임무를 통해서 목성의 대기와 목성의 위성 일부를 근접 촬영한 모습을 처음으로 얻을 수 있었습니다. 또한 이를 통해 목성 근처의 방사장(放射場)이 예측되던 것보다 훨씬 강하다는 사실이 밝혀지기도 했는데, 다행히도 목성에 접근한 두 우주선 모두 그러한 환경에서 큰 고장을 일으키지 않았습니다. 이러한 우주선들의 궤적은 목성계의 질량 측정값을 개선하는데 이용되기도 하였으며, 행성에 의한 전파 엄폐로 목성의 직경과 극의 편평도에 관해 더 나은 측정값을 얻을 수 있었습니다.
그로부터 6년 후, 보이저 임무로 갈릴레이 위성에 관한 이해를 크게 개선할 수 있었으며 목성의 고리들을 발견하게 되었습니다. 또한 이들은 대적점이 고기압성임을 확인해주었습니다. 이전의 사진과 이들이 촬영한 사진 등 여러 사진의 비교로 적점이 파이오니어 임무 이후로 오렌지색에서 암갈색으로 색조가 변화하였음을 알 수 있습니다. 뿐만 아니라 이온화된 원자로 이루어진 토러스가 이오의 궤도를 따라 놓여있는 것이 발견되었고, 이오의 표면에서는 일부는 분출 과정에 있는 화산들이 관측되었습니다. 우주선이 목성의 뒤편을 통과하는 과정에서, 밤 측 대기에서 번개에 의한 섬광이 관측되기도 하였습니다.
목성에 접근했던 다음 임무는 율리시스 태양 탐사선으로, 태양을 극궤도로 비행하기 위해 플라이바이를 이용하였습니다. 탐사선이 목성을 통과하는 동안에 목성의 자기권에 대한 연구가 이루어졌습니다. 율리시스 호는 카메라를 탑재하고 있지 않았기 때문에 그에 관한 사진은 얻을 수 없었습니다. 두번째 플라이바이로부터 6년 후에는 더 먼 거리에 위치하게 되었습니다.
2000년에는 카시니 탐사선이 토성으로 향하는 도중에 목성을 지나면서 그 당시까지 가장 높은 해상도의 사진을 촬영하였습니다.
뉴 허라이즌스 탐사선은 명왕성으로 향하기 위해 목성을 지나는 과정에서 목성의 중력 도움을 이용하였습니다. 탐사선이 목성에 가장 가까이 접근한 때는 2007년 2월 28일이었습니다. 뉴 허라이즌스 호의 카메라를 통해 이오의 화산에서 분출되는 플라스마를 촬영하였으며 네 갈릴레이 위성에 관해 상세하게 진행되었을 뿐만 아니라, 외곽의 위성들인 히말리아와 엘라라에 대한 장거리 관측도 이루어졌습니다. 목성계의 사진 탐사는 2006년 9월 4일부터 시작되었습니다.
갈릴레오 임무
지금까지 목성을 공전한 우주 탐사선은 갈릴레오 궤도 탐사선이 유일합니다. 갈릴레오 호는 1995년 12월 7일부터 목성의 주변을 공전하기 시작하였습니다. 7년 이상 행성을 공전하면서 모든 갈릴레이 위성과 아말테아에 대한 여러 회의 플라이바이가 수행되었습니다. 또한 탐사선은 슈메이커-레비 9 혜성이 1994년에 목성에 접근하여 충돌하는 모습을 사건을 관찰하기 매우 좋은 위치에서 목격하기도 하였습니다. 고성능 전파 수신 안테나의 전개 실패로 원래 계획된 탐사 능력에 제한을 받았지만, 갈릴레오 호로부터 얻은 목성계에 관한 정보는 광범위했습니다.
1995년 7월에는 질량 340 킬로그램의 티타늄제 대기 탐사선이 우주선으로부터 사출되어, 당해 12월 7일에 목성의 대기에 진입하였습니다. 탐사선은 대기 진입 후 150 km(93 mi)를 약 2,575 km/h(1,600 mph)의 속력으로 낙하하였으며 57.6분 동안 자료를 수집하다가 섭씨 153 도, 23 기압의 압력에서 파괴되었습니다. 그 후 잔해는 녹아내려 아마 기화하였을 것입니다. 갈릴레오 궤도 탐사선 역시 생물이 존재할 가능성이 있을지도 모르는 위성인 유로파와 충돌하여 오염시킬 가능성을 피하기 위해, 2003년 9월 21일에 목성으로 방향을 돌려 50 km/s 이상의 속력으로 대기 탐사선과 동일한 운명을 맞이하였습니다.
갈릴레오 임무로 얻은 자료로 수소가 목성의 대기의 90%까지 차지한다는 사실이 밝혀졌습니다. 탐사선이 증발하기 전까지 기록된 온도 자료는 섭씨 300도 이상이었으며 풍속은 644 km/h 이상으로 측정되었습니다.
주노 임무
NASA의 주노 탐사선이 2016년 7월 4일에 목성에 도달하였습니다. 이후에 극궤도로 돌면서 목성을 상세하게 탐사할 것입니다.
이후의 탐사선
다음에 계획된 목성계에 관한 임무로는 2022년 발사 예정인 유럽 우주국의 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE)과, 2025년 NASA의 유로파 클리퍼 임무가 있습니다.
취소된 임무
목성의 위성인 유로파, 가니메데, 칼리스토의 표면 아래에 액체 바다가 존재할 가능성 때문에 얼음 위성에 관한 상세한 연구가 큰 관심을 끌어왔습니다. 그러나 자금 조달의 어려움으로 인해 그러한 계획은 계속 지연되어 왔었습니다. 2005년에는 NASA의 목성 얼음 위성 탐사선(JIMO) 계획이 취소되기까지 하였습니다. 이후에는 NASA와 ESA가 협력하는 방식으로 EJSM/라플라스 공동 임무가 계획되어 대략 2020년쯤에 실행될 예정이었습니다. EJSM/라플라스 임무는 NASA가 주도하는 목성 유로파 궤도선과 ESA가 주도하는 목성 가니메데 궤도선으로 구성되어 있었습니다. 그러나 2011년 4월에 ESA가 공식적으로 NASA와 예산 및 주제를 공유하는 파트너십을 종료하면서 임무는 무산되고 예정표만 남게 되었습니다. 대신 ESA는 이를 골자로 L1 코즈믹 비전을 완수하기 위해 유럽만의 임무를 추진할 계획입니다.