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    望遠鏡技術的改進，使19世紀末20世紀初的天文學家有能力在解析（能看得見）出在艾奧上大區域的表面特點。
    在1890年代，巴納德首先觀察到艾奧的赤道和極區之間在光度上的變化，正確的測量出這兩個地區的光度變化是來自顏色和反照率的不同，而不是因為艾奧呈現卵型，一如威廉·皮克林和他的同伴所主張的，而不是巴納德最初所主張的是兩個不同的天體。之后的望遠鏡觀測證實了艾奧很明確的在極區是紅棕色的，而赤道帶是黃白色的。
    在20世紀中期的望遠鏡觀測開始注意到艾奧異常的本質。分光鏡的觀測建議艾奧的表面沒有水冰（在其它的伽利略衛星上被發現含量豐富的物質）；同樣的觀測亦表面主要的成分是鈉鹽和硫磺。電波望遠鏡的觀測揭露了艾奧對木星的磁層有所影響，如被觀察到的十米的波長爆發與艾奧的軌道周期有關。
    通過艾奧附近的第一艘航天器是先驅者10號和先驅者11號這一對孿生的航天器，分別在1973年12月3日和1974年12月2日以無線電追蹤提供了艾奧質量的改善估計值、與艾奧尺寸的最佳值。認為艾奧是四顆伽利略衛星中密度最高的，主要是由硅酸鹽的巖石組成，而不是水冰組成的。
    先驅者號也揭露艾奧有稀薄的大氣層，軌道附近有強烈的輻射傳送帶。先驅者11號的照相機獲得的唯一一張好的照片，顯示了艾奧的北極地區。先驅者10號原先計劃在近距離的接近艾奧時拍攝照片，但是這項觀測因為高輻射的環境而失敗了。
    當另一對航天器旅行者1號和旅行者2號在1979年掠過艾奧，它們更為先進的影像系統可以獲得更好的影像。
    旅行者1號在1979年3月5日從20,600公里飛掠過這顆衛星，它傳回在接近的影像顯露很奇怪、多彩多姿卻沒有撞擊坑的。分辨率最高的影像顯示出相對年輕的表面點綴著其形怪狀的凹坑，山比艾佛勒斯峰還要高，還有類似熔巖流的特征。
    在短暫的邂逅之后，旅行者工程師琳達·蒙娜碧朵注意到在一張影像中有一個流束從表面放射出來。分析旅行者1號拍攝的其他影像后，總共找到9張有這種流束的照片，證實了艾奧有活躍的火山活動。
    在旅行者1號邂逅艾奧之前不久，Sta
    Peale、Pat
    ickCasse
    、和R.T.Rey
    olds曾發表了一篇論文，作者計算出因為歐羅巴和蓋尼米得的軌道共振，艾奧的內部會有巨大的潮汐熱化（詳細的過程與解釋請參見潮汐熱的章節）。來自這次飛掠的數據顯示艾奧的表面由硫磺和二氧化硫霜控制著。這些成分也掌控著稀薄的大氣層和圍繞著艾奧軌道的等離子體環（也是旅行者發現的）。
    旅行者2號在1979年7月9日以1,130,000公里（702,150英里）的距離掠過，雖然他沒有旅行者1號那么接近，比較這兩艘航天器的影像顯示出在這五個月內表面有一些地區發生了變化。另一方面，旅行者2號在離開木星的系統時觀察到艾奧呈現月牙型，并顯示出在3月觀測到的9個流束中的8個依然活躍著，只有裴蕾火山已經熄滅了。
    伽利略號航天器從地球出發后經歷了6年的航程，于1995年抵達木星，依循旅行者航天器的發現和地基天文
    臺多年的觀測，繼續后續的觀測。艾奧的位置在木星最強烈的一條輻射帶之內，阻礙了近距離長時間飛掠的觀測，但是伽利略主要的任務就是研究伽利略衛星，在最初兩年的任務中軌道將進入并密切的經過這些衛星。在1995年12月7日飛掠過時雖然沒有獲得影像，但還是有重大的結果，例如發現類似于太陽系內側的巖石行星的巨大鐵核。
    在伽利略的主要任務期間，盡管缺乏近距離特寫的鏡頭和機械上的問題，還是傳回來了許多的資料，并且有一些重大的發現。伽利略號觀測到了Pilla
    火山的主要爆發，并且證實火山爆發由硅酸鹽的巖等離子體和富含鎂的鎂鐵質和超鎂鐵質成分與硫磺和二氧化硫組成，類似于地球上的水和二氧化碳所扮演的角色。
    在任務的主要期間，幾乎每一條軌道都獲得了艾奧遠距離的影像，顯露很大數量的火山活動（來自表面和火山流束兩者的巖等離子體冷卻時都散發出輻射熱），眾多的山和廣泛的型態學上的變化，還有在旅行者和伽利略的年代之間，以及伽利略不同的軌道期間，在表面發生的變化。
    伽利略號的任務在1997和2000年兩度的延展，在這些延長任務的期間，航天器在1999年末至2000年初，三度飛越艾奧；在2001年末至2002年初又再三度飛越。在這些遭遇時間的觀察透露了艾奧的火山和山的地質過程，排除了磁場的出現，并且證實了火山運動的程度。在2000年的12月，卡西尼航天器在前往土星的路程上與木星系統有過短暫的邂逅，與伽利略號聯合一起觀測。這次的觀測在特瓦史塔火山口發現了一個新的流束和證實觀察到了艾奧的極光。