Die detailliertesten Untersuchungen von Asteroiden stammen allerdings von Raumfahrtmissionen. In den letzten Jahren konnten mehrere Asteroiden mit Raumsonden vor Ort inspiziert werden. Die Raumsonde Galileo flog auf ihrer Reise zum Jupiter 1991 und 1993 nahe an den beiden Asteroiden (951) Gaspra und (243) Ida vorbei und entdeckte dabei an dem 60 Kilometer langen Asteroiden Ida den über einen Kilometer großen Mond, Dactyl.
Farbansicht des Asteroiden 243 Ida und seinem Mond Dactyl, aufgenommen von Galileo. (© NASA/JPL)
Was man schon von photometrischen Lichtkurven her wusste, wurde mit diesen ersten Nahaufnahmen bestätigt: Asteroiden sind unregelmäßig geformte, rotierende Felsbrocken, die von Kratern übersät sind und sogar kleine Monde haben können.
Im Juni 1997 besuchte die amerikanischen Raumsonde NEAR (Near-Earth Asteroid Rendezvous, später in NEAR-Shoemaker umbenannt) auf ihrem Weg zum erdnahen Asteroiden Eros, den sie ab Februar 2000 ein Jahr lang umrundete, den etwa 50 Kilometer großen Asteroiden (253) Mathilde. Obwohl der Asteroid Mathilde dreimal größer ist als Eros, haben die NEAR-Messungen gezeigt, dass seine Dichte nur halb so groß ist wie die von Eros. Mathildas Dichte ist nur 30 Prozent größer als die von Wasser, was auf eine unerwartet poröse Struktur hindeutet. Wahrscheinlich ist Mathilde eine lose Ansammlung von Schutt, dessen Bestandteile bei einer Kollision zweier Asteroiden freigesetzt wurden und nur durch ihre schwache Gravitationskräfte zusammengehalten werden. Heute nimmt man an, dass viele Asteroiden so beschaffen sind.
Ein weiterer kleiner NEA wurde von der japanischen Raumsonde Hayabusa untersucht, die im Mai 2003 zu (25143) Itokawa gestartet war. Nach der Ankunft im Jahre 2005 lieferte Hayabusa detaillierte Bilder und wissenschaftliche Daten von Itokawa. Das etwa 350 Meter große Objekt hat die Form einer länglichen Kartoffel und sieht genau so aus, wie Asteroidenforscher sich einen „Schutthaufen“ vorgestellt hatten: eine Ansammlung von Kollisionsfragmenten aus einem früheren Zusammenstoß zwischen zwei Asteroiden. Hayabusa hat sogar die Oberfläche von Itokawa berührt und Staubpartikel gesammelt. Nach einer Reise von über sieben Jahren ist Hayabusa am 13. Juni 2010 zur Erde zurückgekehrt. Eine kleine Rückkehrkapsel, in der die Staubpartikel von der Oberfläche zur Erde gebracht wurden, konnte in Australien geborgen werden. Es ist die erste Rückkehr einer Sonde, die im Missionsverlauf Bodenkontakt mit einem Asteroiden hatte. Aus der Analyse der Staubpartikel konnten wichtige Informationen über die Mineralogie und Geschichte des Asteroiden abgeleitet werden.
Mit der Hayabusa-Mission wurde ein neues Kapitel der Asteroidenforschung eröffnet: die Sample-Return-Missionen. Dabei fliegt ein Raumschiff zu einem erdnahen und damit vergleichsweise einfach zu erreichenden Asteroiden, beobachtet ihn und sammelt dann Material von der Oberfläche ein, um es zur Erde zu bringen. So sendete die japanische Weltraumagentur JAXA am 3. Dezember 2014 die Mission Hayabusa2 zum Asteroiden Ryugu, die am 5. Dezember 2020 insgesamt 5,4 Gramm Asteroidenmaterial zur Erde brachte. Die OSIRIS-REx-Mission der NASA, gestartet am 8. September 2016, lieferte kurz darauf am 24. Dezember 2023 über 121 Gramm Material des Asteroiden Bennu auf der Erde ab. Die Proben beider Missionen werden zurzeit intensiv in speziell dafür eingerichteten Laboren untersucht, während die Raumschiffe nach der Probenlieferung zu weiteren Asteroidenbesuchen aufgebrochen sind.