Lesplorazione di Giove attraverso sonde automatiche è iniziata nel 1973 con il fly-by della sonda Pioneer 10.
La quasi totalità delle sonde che hanno visitato il pianeta hanno effettuato dei fly-by, cioè hanno osservato Giove senza entrare in orbita zenocentrica. Le uniche eccezioni sono rappresentate dalla sonda Galileo, rimasta in orbita attorno a Giove per oltre 7 anni, e la sonda Juno per l'osservazione di Giove ad alte latitudini, il cui lancio è avvenuto il 5 agosto 2011 ed è tuttora operativa. Entrambe hanno ampliato notevolmente le nostre conoscenze sul pianeta e sui suoi quattro satelliti principali, Io, Europa, Ganimede e Callisto.
Giove è un gigante gassoso e non ha una vera e propria superficie solida: un atterraggio sulla sua superficie è quindi impossibile. Ciononostante, la sonda Galileo ha trasportato sul pianeta una seconda sonda robotica che è penetrata nell'atmosfera del pianeta, rivelandone la composizione, eseguendo misure di pressione e temperatura, della velocità dei venti ed in generale del grado di attività dell'atmosfera.
Proprio le numerose scoperte avvenute grazie alla missione Galileo hanno rafforzato l'interesse della comunità scientifica per il gigante gassoso ed il suo sistema. Fin dalla conclusione della missione si è iniziato a pensare ad un suo successore, che avrebbe dovuto avere una maggiore disponibilità di manovra e la possibilità di entrare in orbita attorno ad alcuni dei principali satelliti del pianeta o anche trasportarvi un lander. Tuttavia le difficoltà economiche della NASA (l'ente spaziale americano e principale contributore nelle missioni esplorative di Giove) hanno impedito a lungo che una tale missione si realizzasse.
La Europa Jupiter System Mission, che prevedeva l'utilizzo di due sonde automatiche focalizzate allo studio dei quattro satelliti galileiani ed il cui lancio era previsto nel 2020, è stata cancellata, tuttavia nel 2023 è stata lanciata la Jupiter Icy Moons Explorer ("Esploratore delle lune ghiacciate di Giove") dell'ESA per l'esplorazione di Callisto, Ganimede ed Europa, e nel 2024 sarà lanciata Europa Clipper, che studierà in particolar modo Europa. La sonda Juno della NASA ha la caratteristica di portare avanti l'esplorazione di Giove ad un costo ridotto. lEuropa Jupiter System Mission, invece, era un progetto ambizioso che richiedeva per la sua realizzazione una collaborazione internazionale.
Giove è un punto nodale nelle rotte delle sonde esplorative dirette verso il sistema solare esterno, per la sua grande forza di gravità e la conseguente capacità di agire da fionda gravitazionale per le sonde: tutto ciò rappresenta quindi un'ulteriore opportunità per l'osservazione del pianeta.
Esigenze tecniche Raggiungere un altro pianeta del sistema solare richiede un elevato costo energetico. Perché una sonda spaziale possa raggiungere Giove dall'orbita terrestre, è necessaria la stessa quantità di energia richiesta per portare in un'orbita terrestre bassa (LEO) la stessa massa. In astrodinamica tale energia richiesta è descritta in termini di cambio netto nella velocità della sonda, o Δv (Delta-v). L'energia richiesta per raggiungere Giove dall'orbita della Terra è pari ad un Δv di circa 9 km/s, confrontabile con il valore di 9,7 km/s di Δv richiesto per raggiungere un'orbita terrestre bassa dalla superficie del nostro pianeta. Tuttavia, l'utilizzo di manovre di fionda gravitazionale durante la fase di crociera può ridurre il quantitativo di energia richiesto al lancio, sebbene a prezzo di un maggiore tempo di volo per raggiungere Giove.
Una volta raggiunto il sistema di Giove una delle principali problematiche che si trova ad affrontare una sonda è l'elevato quantitativo di radiazione ivi presente, intrappolata dalla magnetosfera gioviana. Per esempio, la sonda Galileo, nei sette anni che ha orbitato attorno al pianeta, ha superato notevolmente la dose di radiazioni per la quale era stata progettata e come risultato ha manifestato una serie di guasti di sistema attribuibili all'effetto delle stesse.
I primi fly-by
Fly-by delle Pioneer
La Pioneer 10 nel dicembre del 1973 è stata il primo oggetto costruito dall'uomo a raggiungere il sistema gioviano, seguita dalla Pioneer 11 a distanza di un anno esatto.
La Pioneer 10 ha ottenuto le prime immagini ravvicinate di Giove e dei satelliti galileiani, ha studiato l'atmosfera del pianeta, rilevato il suo campo magnetico, osservato le Fasce di van Allen e scoperto che Giove è principalmente liquido. La Pioneer 11 inviò alla Terra immagini significative della Grande Macchia Rossa, le prime osservazioni delle regioni polari del pianeta e dati sufficienti a determinare la massa di Callisto.
Fly-by delle Voyager
La sonda Voyager 1 ha raggiunto Giove nel marzo del 1979, seguita dalla Voyager 2 nel luglio dello stesso anno. Le sonde hanno raccolto immagini del pianeta e dei satelliti galileiani ad una risoluzione nettamente maggiore rispetto a quanto fatto della sonde Pioneer che le avevano precedute. Furono così rivelate le prime informazioni sui processi fisici, atmosferici e geologici che avvengono sul pianeta, sui suoi satelliti principali e che interessano la magnetosfera gioviana. Ciò che più sorprese gli scienziati fu scoprire il vulcanismo di Io: un fenomeno tanto intenso da influenzare tutto il sistema gioviano ed il primo caso di vulcanismo attivo osservato su un corpo del Sistema solare differente dalla Terra. La Voyager 1 fotografò 9 vulcani attivi, 8 la Voyager 2. Entrambe le sonde rilevarono il toro ionico che circonda Giove in corrispondenza dell'orbita della luna e minime quantità del materiale eruttato - in particolare atomi di ossigeno, sodio e zolfo - in corrispondenza del confine esterno della magnetosfera. Furono inoltre scoperti gli anelli di Giove e fu raccolta la prima immagine ravvicinata dell'atmosfera del pianeta, misurata la temperatura delle nubi, osservato il movimento dei venti nelle bande e nelle zone, rilevati fulmini nell'emisfero buio e misurata la velocità della materia che costituisce la Grande Macchia Rossa, rivelandone la natura anticiclonica. Infine, destarono interesse le prime immagini della superficie di Europa, le cui strutture sembravano essere state dipinte sulla luna, e fu misurata la massa di Ganimede, allora ritenuto più piccolo di Titano.
Fly-by della Ulysses Nel febbraio del 1992 la sonda Ulysses è passata a 409.000 km da Giove. La manovra, necessaria per spostare la sonda su un'orbita polare intorno al Sole, le ha permesso di studiare la magnetosfera gioviana a latitudini che non erano state percorse dalle sonde precedenti. Inoltre, Ulysses ha attraversato il toro di plasma intorno all'orbita di Io in direzione nord-sud, rispetto all'attraversamento equatoriale della Voyager 1. Durante il sorvolo, Ulysses ha rilevato un segnale radio proveniente dal polo sud del pianeta che presentava una certa ripetitività. Il segnale si ripeteva ogni 40 minuti per alcune ore, per poi interrompersi e riprendere successivamente con la stessa modulazione. Alla ricezione del segnale, chiamato QP-40 (dove QP sta per quasi periodico), erano associate violente emissioni di elettroni altamente energetici. Nel febbraio del 2003 un segnale analogo proveniente però dal polo nord del pianeta è stato rilevato dal telescopio orbitante Chandra. Questi fenomeni sembrano originati dall'interazione del vento solare con la magnetosfera di Giove ed abbinati al fenomeno delle aurore polari sul pianeta. Poiché la sonda non aveva fotocamere a bordo, non è stata scattata nessuna immagine. Nel febbraio del 2004 Ulysses si è trovata di nuovo nei pressi di Giove, ma questa volta ad una distanza molto maggiore: circa 240 milioni di km. Durante questo incontro si è prestata particolare attenzione alla ricezione del segnale radio QP-40 proveniente dal polo nord del pianeta, rilevato infine nell'ottobre del 2003.
Fly-by della Cassini
Nel 2000 la Cassini-Huygens, in viaggio verso Saturno, ha incontrato Giove e ci ha fornito alcune delle immagini a più alta risoluzione del pianeta. Il massimo avvicinamento è stato raggiunto il 30 dicembre 2000, ma le osservazioni scientifiche sono durate diversi mesi. Sono state raccolte 26.000 immagini del pianeta che hanno permesso di realizzare un'immagine di Giove - la più grande disponibile - con una risoluzione di 60 km.
Una delle maggiori scoperte dell'incontro, annunciata il 6 marzo 2003, riguarda la circolazione atmosferica del pianeta. Nell'atmosfera di Giove le "bande" scure si alternano alle "zone" più chiare e gli studiosi ritenevano che le zone, che devono il loro colore alla presenza di nubi, fossero sede di moti ascensionali, in parte perché sulla Terra la maggior parte delle nuvole si formano appunto quando l'aria sale. Ma, dall'analisi delle immagini della sonda Cassini, risulta che nelle bande sono presenti celle convettive di aria ascendente che conducono alla formazione di nuvole chiare, sebbene troppo piccole perché siano riconoscibili dalla Terra. Anthony Del Genio del Goddard Institute for Space Studies della NASA ha dichiarato: "le bande devono essere aree [...] dove il moto netto dell'aria è ascensionale, [quindi] il moto netto dell'aria nelle zone deve essere discensionale".
Altre importanti osservazioni sono quelle relative ad una scura macchia ovale, denominata Grande Macchia Scura (Great Dark Spot), delle dimensioni della Grande Macchia Rossa individuata da Cassini in prossimità del polo nord di Giove. Le immagini nell'infrarosso mostrano che l'atmosfera intorno ai poli segue un moto circolatorio, con bande che si muovono in direzioni fra loro opposte. Nello stesso articolo, sono stati presentati i risultati di alcune osservazioni relative agli anelli di Giove. Dal modo i cui le particelle degli anelli riflettono la luce, si è potuto dedurre che esse devono avere forma irregolare (piuttosto che sferica) e ciò suggerisce che siano state generate da impatti di micrometeoriti sulle lune di Giove, probabilmente Metis ed Adrastea.
Infine, il 19 dicembre 2000 la sonda Cassini ha anche ottenuto un'immagine a bassa risoluzione del satellite Imalia, ma era troppo distante per poter mostrare qualche struttura superficiale.
Fly-by della New Horizons Nel febbraio 2007 la sonda New Horizons, nel suo viaggio verso Plutone, è passata vicino a Giove per eseguire una manovra di fionda gravitazionale. La sonda ha perfezionato la conoscenza delle orbite dei satelliti interni di Giove, in particolare Amaltea. Le fotocamere della New Horizons hanno misurato la fuoriuscita di plasma dai vulcani di Io e studiato anche gli altri satelliti galileiani. Inoltre ha raccolto le prime immagini ravvicinate di una nuova grande formazione atmosferica su Giove, la Macchia Rossa Jr., che ha iniziato a rafforzarsi ed a colorarsi di rosso dopo il fly-by della Cassini, nel 2000. Infine, per una fortunata coincidenza, la traiettoria di allontanamento dal pianeta seguita dalla sonda, ha permesso di studiare la coda della magnetosfera gioviana per mesi. La sonda ha anche esaminato il lato notturno del pianeta per rilevare aurore e fulmini.
La cometa Shoemaker-Levy
Tra il 16 e 22 luglio 1994 oltre 20 frammenti della cometa Shoemaker-Levy 9 hanno colpito Giove. Sebbene una cometa non sia una sonda spaziale, gli impatti hanno fornito molti dati sulla composizione dell'atmosfera gioviana.. Data la sua grande massa e la sua vicinanza alle regioni interne del sistema solare, Giove, tra i pianeti, subisce infatti la maggior frequenza di impatti cometari.