美國從1990年代初起，在十餘年時間內先後發射了4台工作波段不同的大型太空望遠鏡，這就
哈勃太空望遠鏡（HST）、
康普頓太空望遠鏡（CGRO）、
錢德拉太空望遠鏡（CXO）
和斯皮策太空望遠鏡（SST），有國人暱稱之為「四大天王」。「四大天王」共耗資逾50億美元。人們為什麼要不惜工本耗費巨資把大型天文觀測設備送上天？這還得從地球大氣層談起。
地球大氣層的「搗亂」
眾所周知，地球表面有一層厚厚的大氣，它是人類和許多生物須臾不可離開之物。不僅如此，大氣層還能有效保護地球表面和生物圈免遭流星體以及各種地球外輻射（如宇宙線、紫外線、太陽風粒子等）的致命轟擊。目前，在有關外星生命的探索工作中，便以類地行星周圍是否存在足夠厚度且成分合適的大氣層作為那兒可能存在外星生命的先決條件之一。 然而，萬事皆一分為二。對於天文觀測來說，地球大氣層卻是有百弊而無一利。對此，天文學家早就有了充分的認識。
人造衛星上天之前，除了利用飛機以及高空氣球開展少量、短時段的觀測工作外，所有天文觀測都是在地面上進行的。因此，來自天體的輻射（包括可見光和其他波段的輻射）必須先穿過大氣層，然後方能到達地面接收設備，故天文觀測必然會受到地球大氣的影響，且這種影響是多方面的。
首先是大氣層對天體輻射在路徑方向上的折射作用，稱為大氣折射。地球大氣並無明確的上部邊界，越接近地面大氣的密度越大，因此天體輻射穿過大氣層時的路徑不是一條直線，而是一條曲線。大氣折射的主要效應是使天體的觀測位置較實際位置沿著垂直方向有所抬高，天體的高度越低，這一效應越厲害，地平線附近可達到30''左右。此外，由於地球大氣密度分布的複雜性，大氣折射也會使天體的方位角發生少許變化。
地球大氣處於不停運動之中，大尺度上表現為風，還有對流層和平流層的運動等。極小尺度上，大氣微團的快速、不規則湍動，會使星像觀測位置不停地作小幅度快速變動，稱為大氣抖動或星像抖動。大氣抖動常用天文視寧度來表征，抖動越小視寧度越好，天體成像質量越高，對天文觀測越有利。因此，在選擇天文台台址時，除了晴夜數要儘可能多，還必須充分考慮到當地的大氣視寧度。
天體的亮度會因大氣的不規則湍動出現短時標的明暗變化，稱為大氣閃爍或星光閃爍。大氣折射率與輻射波長有關，短波段輻射的折射效應比長波段更顯著，這就是大氣色散。大氣閃爍和大氣色散都會影響天體的成像質量。
隨著新成像技術的發展，上列各種大氣效應對天文觀測的影響已經可以有效地加以克服，或大為削弱。例如，星像復原技術可以有效克服大氣抖動的不利影響。
地面觀測無法消除的大氣效應就是大氣消光——因地球大氣的吸收和散射作用，天體的輻射在穿越大氣層後強度必然會有所降低。大氣消光量還與輻射波長有關——對短波輻射的消光作用比對長波輻射來得大，稱為選擇消光，結果是使天體的顏色偏紅。太陽在接近地平線時呈現紅橙色就是這個原因，這時陽光穿越的大氣層路徑特別長，陽光明顯偏紅。
更嚴重的問題是，由於大氣的消光作用，只有某些波段的輻射才能穿透、或部分穿透大氣層到達地面，這些波段所處的範圍稱為大氣窗口。有些波段輻射在到達地面之前會被大氣全部吸收掉，地面上根本觀測不到。
大氣窗口包括光學窗口、紅外窗口和射電窗口。300～700納米的可見光波段是光學窗口，光學望遠鏡可以通過這個窗口觀測到色彩各異的天體。紅外窗口的情況較複雜，其中17～22微米是半透明窗口；對22微米～1毫米之間的輻射，大氣變得完全不透明，不過在高山上還是能在這一範圍內找到一些紅外窗口。地球大氣對10兆赫到300京赫的射電波是透明的，或部分透明，這就是射電窗口。最後，對紫外、X射線和伽瑪射線這些短波段輻射來說，大氣幾乎完全不透明。
多波段天文觀測的前期進展
為從根本上克服地球大氣層對天文觀測的影響，把望遠鏡放到大氣層外實乃必由之路。從歷史上看，早在第一顆人造衛星上天前的1946年，美國天文學家斯皮策就已提出開展空間天文觀測的前瞻性構想，他明確指出這會對天文學科的發展帶來很大好處。要想實現在幾百公里的高空、甚至更遠距離處按計劃成功觀測各類天體，技術難度不言而喻。儘管如此，人類憑藉自己的智慧和不懈努力，在空間天文領域取得了輝煌的成就。
1957年蘇聯第一顆人造地球衛星上天標誌著人類進入空間時代，空間天文應運而生。今天，利用空間技術已能觀測到天體從長波段射電到短波段伽瑪射線的各類輻射，其間包括紅外、可見光、紫外和X射線等，從而誕生了多波段天文學。
1800年，英國天文學家威廉•赫歇爾發現了太陽的紅外輻射。1869年，英國人帕森斯測量了月球的紅外輻射，1920年代已有人對行星和恆星進行紅外探測。不過，早期紅外天文因缺乏有效探測設備而進展緩慢。1965年，美國人諾伊吉保爾建造了1.5米口徑的紅外望遠鏡，並發現了以紅外輻射為主的紅外星，從而揭開了現代紅外天文的序幕。
第一顆紅外線天文衛星（IRAS）於1983年1月升空，它是美、英、荷三國的聯合項目，望遠鏡口徑0.6米，共探測到約35萬個紅外源。紅外波段對探測深埋於氣體塵埃雲中的原恆星或年輕星非常有效，對研究恆星、星系的起源和早期演化具有特別重要的意義。IRAS的成功極大地推動了紅外空間天文的發展，1995年11月，歐、美、日合作的紅外空間天文台（ISO）成功發射，望遠鏡口徑0.6米。ISO的各方面性能比IRAS都要勝出一籌，不過IRAS是大範圍巡天觀測，ISO是定點觀測，兩者功能有所不同。
紫外波段的範圍為10～400納米，地面上幾乎不可能探測到。1972年8月美國發射的「哥白尼號」衛星開始了對非太陽系天體的紫外觀測，
望遠鏡口徑0.8米。之後，一些國家相繼發射了不少紫外衛星，如1978年1月美、歐聯合研製的「國際紫外探測者號」，1999年6月美國發射的「遠紫外光譜探測者號」等。這些衛星的觀測覆蓋了整個紫外波段，取得許多重要成果，特別是加深了對星際物質成分的認識。 X射線的波段範圍為0.001～10納米，只能在太空進行探測。1970年12月美國發射「自由號」 X射線衛星，經3年系統巡天后發表了第一張X射線源分布圖，共匯集231個源，包括第一個黑洞候選者天體，並探測到許多星系團都是X射線源。1978年11月，美國的「愛因斯坦天文台」升空，衛星上首次安裝了大型掠射X射線望遠鏡，這是因為X射線雖然不能通過折射和反射成像，卻能在非常傾斜的掠射角下產生全反射並聚焦、成像。使用這類X射線望遠鏡後，獲得了河外星系中的單個X射線源像，並發現幾乎所有類星體都是X射線源。
進入1980年代後，一些國家相繼發射了若干X射線衛星。其中最有代表性的當推1990年6月由德、英、美三國聯合發射的「倫琴X射線天文衛星」（ROSAT），並作出許多重要發現，如觀測到蟹狀星雲脈衝星的吸積盤和噴流，取得超新星遺蹟和星系團X射線輻射的細節圖像，等等。
伽瑪射線的波長短於0.001納米，只有在大氣層外才能探測到。鑒於天體的溫度越高輻射波長越短，伽瑪射線（以及X射線）觀測主要用於認識高溫天體和宇宙中發生的高能物理過程。1972年3月，歐洲空間局發射了TD-1A伽瑪射線衛星，用於觀測太陽、恆星和河外天體的伽瑪射線輻射。2004年11月美國發射「雨燕號」伽瑪射線衛星，目標是對大天區範圍內的伽瑪射線源進行詳細觀測。首次探測到一類新的天文現象——伽瑪射線暴（伽瑪暴），並說明作為暴源的恆星可能在宇宙誕生後最多7億年就已壽終正寢，變成了一個黑洞。
由於擺脫了地球大氣的影響，人們藉助一些口徑並不太大的太空望遠鏡，取得了許多地面望遠鏡所無法取得的重要成果。於是，天文學家開始考慮、並最終建成了一系列大口徑空間望遠鏡。
「大天文台」計劃的實施
上述空間天文台計劃的成功實施，促使實力雄厚的美國宇航局（NASA）著手制定耗資更大、預期產出更多的空間天文項目，其中包括所謂「大天文台」計劃。
「大天文台」計劃的概念成形於1980年代中期，由幾位高層天文學家提議，並最終為NASA所接受。在該項計劃中，共計要發射4台在不同波段工作的大型太空望遠鏡。後來，這些望遠鏡分別以4位美國科學家哈勃、康普頓、錢德拉、斯皮策的名字命名，以紀念他們在相關領域內所作出的卓越貢獻。
大天文台計劃中的第一項是哈勃太空望遠鏡，由美國和歐洲聯合實施。1990年4月5日，哈勃空間望遠鏡由「發現號」太空梭成功送入太空，衛星重約11.5噸，望遠鏡口徑2.4米，造價20億美元，是迄今為止耗資最多的空間天文項目。在20多年的工作中哈勃太空望遠鏡取得了大量極有價值的發現，如觀測到100多億光年遠的星系，證實星系中央存在超大質量黑洞，拍攝到星系併合圖像，發現比太陽亮1,000萬倍的恆星等，大大增進了人類對宇宙大小和年齡的認識，使天文學家有可能追溯宇宙發展的早期歷史。
1991年4月5日，康普頓伽瑪射線太空望遠鏡由「
阿特蘭蒂斯號」太空梭送入繞地軌道，造價7.6億美元，衛星重約16噸，是由太空梭發射的最重民用太空飛行器。該望遠鏡把對天體伽瑪射線的探測範圍擴大了300倍，主要任務是進行伽瑪射線波段上的首次巡天觀測。在最初9年的工作期間，康普頓伽瑪射線太空望遠鏡便探測到了2,600起來自各類天體的伽瑪射線爆發事件，人們首次了解黑洞如何引發X射線和伽瑪射線的噴發；觀測到銀河系中心出現的反物質粒子云，以至在天文界引起轟動；它還探測到120億年前產生的伽瑪射線衝擊波。每年約有100名天文學家利用康普頓伽瑪射線太空望遠鏡的資料進行研究，至今已完成數以千計的論文。
可惜的是，1999年底康普頓伽瑪射線太空望遠鏡上的一個姿控定位陀螺儀發生故障，且無法及時修復。為防止失控後的衛星落入人口稠密區，NASA不得不忍痛「壯士斷臂」，於2000年9月4日對其實施人工墜毀。由於康普頓太空望遠鏡被迫提前「退役」，原本要使「四大天王」在太空「相聚」的設想最終未能實現。
經過長達22年的研製期，錢德拉X射線太空望遠鏡於1999年7月23日由「哥倫比亞」號太空梭送入太空，耗資15億美元。錢德拉太空望遠鏡以更高的精度和靈敏度繪製了全天X射線源圖，並在太陽、恆星、活動星系、星系團等各類天體的X射線觀測上取得了前所未有的重要成果。
義大利裔美國天文學家賈柯尼無疑是X射線天文學的奠基人，他主持了多項有關X射線空間天文觀測的項目，早在1976年就已倡議研製錢德拉太空望遠鏡。由於他的開創性工作，賈柯尼與另外兩位科學家共同分享了2002年度的諾貝爾物理學獎。
大天文台計劃中的最後一項是斯皮策太空望遠鏡，於2003年8月25日搭載Delta II火箭成功發射，望遠鏡口徑0.85米，探測波段為3～180微米，造價8億美元。實際上斯皮策並不是一顆繞地球轉的衛星，它採用了日心軌道，位於地球公轉方向之後隨地球繞太陽運動，升空之初距地球將近1,000萬公里，並以每年約1,500萬公里的速率遠離地球。正因為如此，斯皮策可以在極低溫的條件下工作，徹底避開了來自地球的紅外輻射之干擾，特別有利於對極年輕天體的探測。自斯皮策太空望遠鏡投入工作之後，重要發現便接踵而來，如觀測到宇宙大爆炸之後1億年就已形成的第一代恆星，捕捉到太陽系外行星的首幅圖像，拍攝到超新星遺蹟和銀河系中心區的密集星場，等等。
包括「四大天王」在內的空間觀測大大提升了人類的「目力」，它們所取得的一系列重要成果極大地推進了多波段天文學的發展。然而，天文學家並未就此止步不前，他們把目光放得更遠，力求建成更大、更好的空間觀測設備。例如，作為哈勃太空望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡的繼任項目，由美國NASA領銜、10多個國家參與的韋伯空間望遠鏡（JWST，曾稱下一代空間望遠鏡——NGST）計劃於2018年左右升空，望遠鏡口徑6.5米（達哈勃太空望遠鏡口徑的2.7倍），並採用拼接鏡面結構。一旦成功實施，人類必能洞察更早期、更為深遠處的宇宙奧秘。