早期，天文學家只能用望遠鏡對小行星進行觀測，但即使用最大的望遠鏡，也只能觀測到針尖大小的光點。

隨著航天技術發展，科學家在利用空間探測器開展行星探測任務時，有時會讓探測器在路過小行星時“摟草打兔子”，順道拍幾張照片。1991年10月，美國伽利略號木星探測器飛掠蓋斯普拉小行星，第一次拍回小行星的特寫鏡頭。2012年12月，我國嫦娥二號也在實施拓展任務過程中，與圖塔蒂斯小行星擦身而過，並對其進行了光學成像。這是國際上首次實現對圖塔蒂斯的近距離探測。

不過，無論是天文觀測還是掠過式探測，都存在距離遠、時間短、分辨率低等不足。上世紀90年代以來，專用小行星探測器相繼亮相。

1996年2月，美國尼爾號小行星探測器發射升空。它的主要目標是獲取第433號小行星——愛神星的物理和地質特性，確認其礦物組成和元素成分。

2000年2月，尼爾號進入環繞小行星運行軌道。此后3個月裡，它逐漸靠近愛神星，通過搭載的6台儀器，獲取愛神星的尺寸、質量、密度、磁場、岩石成分以及元素組成等情況。2001年2月12日，尼爾號降落在愛神星表面，成為世界上首個在小行星表面著陸的探測器。

2003年5月9日，日本發射該國首個小行星探測器——隼鳥號，飛向位於地球和火星之間的絲川小行星。隼鳥號共採集了約1500顆微粒樣品，總質量約0.0018克。

在火星與木星之間的小行星帶裡，有兩顆著名小行星：灶神星和谷神星（國際天文學聯合會2006年提出新定義，將谷神星升格為矮行星）。它們都形成於太陽系早期，並且因為木星引力作用而演化遲緩。灶神星是與地球類似的岩狀天體，谷神星則是典型的冰雪天體，這樣兩個極不相同的天體竟能同處一個小行星帶，令科學家充滿好奇。

2007年9月27日，美國黎明號小行星探測器升空，開始了環繞灶神星和谷神星的探測之旅。經過近4年漫長旅行，黎明號於2011年7月飛抵灶神星，圍繞它運行了14個月，採集了數據和圖像。2015年3月，黎明號進入谷神星軌道，在這裡完成了全部使命，直至2018年其燃料耗盡，與地球失去聯系。

近20年，國際上還發射了隼鳥2號等多個小行星探測器，探測方式包括伴飛、附著、取樣返回、撞擊等多種形式。

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