千万未解之谜
人类目前掌握的宇宙知识对宇宙航行来说是远远不够的。例如，是什么规律支配着宇宙的产生和演变？大爆炸理论真的可靠吗？宇宙中到底有没有暗物质？它们分布在哪里？宇宙是继续膨胀还是将转而收缩？恒星和行星是怎样形成和演化的？恒星的能量从内层穿过外层流到星际空间的机理细节如何？星系、中子星、黑洞和类星体是怎样形成的？它们对宇宙航行有什么影响？宇宙中有反物质吗？它们分布在何处？宇宙中有别的智慧生物吗？他们的宇宙观如何？如此等等，科学家们还在探索着，争论着。还有，人类目前对宇宙中生物的起源、进化的环境条件是什么还未彻底搞清楚。在飞出太阳系以前，空间人体生理学、空间生物学、天文学和天体物理学等，还需要进一步发展。
巨大的“飞船社会”
目前，人们寄希望于爱因斯坦相对论的速度效应，即宇宙飞船高速飞行时，时间会膨胀，距离会缩短，越接近光速，速度效应越显著，到无限接近光速时，时间几乎停滞，尺寸几近于零。但是，这种理论正确吗？它的应用条件如何？又如何使宇宙飞船逐渐接近光速？再如，人在太空飞行，一个人每天需要空气、水和食物的总重量为22千克，1年约8吨。那么多人长期太空飞行所需的食物从哪里来？人们寄希望于密闭生态系统，但是，美国“生物圈2号”的试验失败了。除食物外，在宇宙航行中还需要许多工业产品。因此，航宇活动必须有成熟的人造生物圈技术，以解决人的生存条件和生活供应问题；必须有发达的太空工业，以提供各种用品。
为了保证人口质量和文化的稳定发展，长期宇宙航行需要千万个家庭同行。在千百年的航行过程中，人口可能增加到几亿、十几亿之众，一艘飞船运载的是一个庞大的社会。如此巨大的飞船如何建造？用什么能源去加速？因此，航宇活动需要极大地完善宇宙飞船的结构、制造、发送、轨道装配和驾驶技术，空间能源技术，空间运输技术，空间推进技术，人造重力技术等。
掌握更多知识
要想飞出太阳系，人类还需要在许多科学研究上取得突破。如查明地球气象与太阳活动的关系，可准确预报30天以上的气象和30天以内的地震、太阳耀斑活动；准确查明地球辐射带的范围和特性；在空间站上建立自给自足的密闭生态系统；有效地防治失重环境中的骨质疏松等病变；在太空批量生产各种需要的工业产品；在月球和火星上切实解决水的问题；证实冥王星上甲烷火山的存在；揭开火星生命之谜，确认木卫二和天王星等处液态水中是否存在低级生命或有机物质；在彗星冰块中寻找超新星碎片；寻找太阳系外行星；探寻活动星系中心的高能能源；检测引力波；寻找黑洞、暗物质和反物质等。
由此可见，在今后几十年的时间里，主要还是开展航天活动，如建立永久性载人空间站，发展廉价的天地往返运输系统和宇宙飞船的高能动力系统，建立永久性月球基地，开发月球资源，生产火箭推进剂，建立月球中转站，考察火星，建立火星基地和地球—火星之间的分阶段运输系统，以及相应的航天港等等。
什么是暗物质？暗物质（包括暗能量）被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到（5％左右）。暗物质无法通过直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。
土星卫星之谜——可能有水存在的卫星
在茫茫夜空中，土星很容易就可以被肉眼看到。虽然它不如木星那么明亮，但是由于它不会像恒星那样“闪烁”，所以很容易被认出是颗行星。
“孩子”最多的土星
土星是太阳系中孩子最多的星球，它拥有18颗被命名的卫星，还有一些小卫星在发现中。土星周边奇异的光环以及它的卫星“孩子”们，只要通过一架小型业余天文望远镜就可以观察得到。目前，人们在土星卫星上已探测出有水的存在，甚至还在土卫六上发现了湖泊群。
土卫二又称“恩克拉多斯”，是1789年由威廉·赫歇尔发现的。在20世纪80年代初，“旅行者号”飞船飞掠它之前，人们对它知之甚少。“旅行者号”飞船发现土卫二虽然体积不大，但“麻雀虽小，五脏俱全”，它有着丰富的地形，而且每种地形估计年龄都不过1亿年，这说明这颗卫星是十分活跃的，可能有一些“水火山”存在，这就具备产生生命的三大条件：地下热源、有机物和液态水。
“卡西尼号”太空船的飞越显示，土卫二的南极地区地质活动也很活跃，而且被冰山爆发和新鲜的降雪重新塑造了星球表面，潮汐力量扭曲了表面的冰层，形成了长长的山脊和破裂带。这给了科学家们无限的猜测：土卫二南极以红外线辐射的形式闪闪发光，说明在“条纹”的表面下有地下热源，而那些条纹是被黑色的有机物污染出的平行线。科学家推测其喷发是由潜伏在冰层表面下的浅水造成的。而且那些水汽喷发可能已经持续至少几千年了。这也表明地下可能存在持续的热源。有的科学家认为，土卫二的冰屑和水蒸气来自地表较浅处的“地下水库”。
让人无限遐想的间歇喷泉
根据探测图像推测，土卫二的表面被平整的“冰面”覆盖。科学家们迫切希望看到这颗卫星上面最近的活动以及有冰山作用的迹象。
2005年，“卡西尼号”飞船4次近距离飞掠土卫二。“卡西尼号”携带的照相机拍摄到了一些图片，上面显示该星球上似乎排列着褶皱山岭和碎冰平原，上面有条纹状的深绿色有机物质，并在南极地区拍摄到了冰屑和尘粒喷发的奇景。图像显示，土卫二南极地区有多处喷发气流，在阳光背景下可见的喷发就像巨大的羽毛，长达约500千米，居然击中了在土卫二上空急速行驶的“卡西尼号”太空船，而土卫二的直径也不过这么大。据飞船搭载的仪器分析，气流的主要成分包括细碎的冰屑、尘粒以及水蒸气等。
2005年12月，飞越土卫二的飞船每8分钟就看到喷射一次间歇泉，喷射出来的东西不只是水，还混合有生命物质，包括甲烷、丙烷、乙炔和二氧化碳等有机化合物，最后纷纷进入了土星外层的“E”环中。“卡西尼号”太空船携带的分光计对其冰羽毛进行了化学分析，发现间歇泉上冒着乙炔和丙烷。
神秘的“泰坦”
土卫六，又称泰坦，是土星卫星中最大的一个，它的体积比水星和冥王星都大，于1655年被荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯发现。当“惠更斯号”探测器成功登陆土卫六，在其下落到距离土卫六表面150千米处时，拍摄到了土卫六的地貌图片。科学家惊奇地发现土卫六的某些环境与远古时代的地球非常相似，并非死气沉沉。
为了进一步探测，2005年1月14日，“惠更斯号”着陆器脱离“卡西尼号”飞船，成功着陆到神秘的土卫六。然而，在它着陆的地点附近没有发现液态水，更没有像莱比顿坚信的“汪洋”，甚至连液态甲烷也没有……能看到只是一片橙色戈壁，非常干燥。但是，在“惠更斯号”拍摄的照片中，有科学家发现一些类似“川谷”和“河流”的痕迹。而且在“惠更斯号”降落后的几个小时里，它发现了神秘的低频无线电波。法国科学家弗南多·希莫斯领导下的科学小组一直研究此信号的来源。他们认为这种信号可能是地下液态水海洋的一种信号。
相似如同远古时期的地球
欧洲空间局于2005年1月正式宣布了“惠更斯号”探测器在土卫六表面着陆的消息。在下降过程中，探测器还对土卫六的大气进行了分析。最令科学家们感到意外的是，土卫六的大气构成并不均匀：其上层富含甲烷，而下层则以氮气为主。专家们表示，土卫六是太阳系中唯一一颗拥有浓密大气的卫星。土卫六表面的平均温度大约为-290℃。其大气很明显地分为数层，并且在各层的交界处还存在着持续不断的闪电。科学家们通过分析研究“惠更斯号”传回的土卫六表面照片得出初步结论：土卫六表面有甲烷构成的河流和冰构成的岩石，这证明土卫六表面存在或曾经存在过液态物质。土卫六表面不仅有陨石撞击遗留下来的坑洞，还有很多宏伟的山峰，也有此起彼伏的高地，更为重要的是土卫六看起来是一个充满生机的地方，就像远古时期的地球一样。
12个大小不等的湖
“卡西尼号”探测器近距离飞越土卫六时又有了一个重大发现——其北极存在着一个巨大的甲烷等碳氢化合物形成的湖群，其中有些湖还流动着液态物质，这是人类首次在土卫六表面发现这么大面积的碳氢化合物形成的湖群。湖群包括12个大小不等的湖，宽度在10～100千米之间。当时“卡西尼号”距离土卫六表面约950千米，从图像看来，它们仿佛是一块块“黑斑”。有些互相之间有河道连通，有些则有支流汇入其中；有些已经干涸，而有一些流动着液态物质，很可能是甲烷和乙烷的混合物。
科学家认为，液态甲烷在太阳的照射下变为气态，并进入其大气层，逐渐消散。地表的甲烷“水库”又会及时补充上来，就像地球上的水循环一样。然而科学家还是无法解释土卫六表面的甲烷是怎么形成的。
有科学家质疑在土卫上探到的无线电波能穿透50千米的距离吗？它又是怎样从地下海洋反射出来而产生这种信号的。同时，科学家们还意识到了一个非常重要的“漏洞”——想象中的河流湖泊是如何反射可见光和红外光的。
有关土卫六大气层中的甲烷是如何形成的，至今还是科学家们关注的焦点。有人认为它来源于土卫六近100万年来的地质活动，也有人认为它来源于一场太空灾难——与其他天体撞击后破坏了土卫六表面的冰层，埋藏在冰层底下的大量甲烷被释放出来。但归根结底都不过是猜测和设想，事实真相如何，只有等待对土卫六更深入的探测来证实。
