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仅仅一百年之前，天文望远镜的家族只有一个种类，它们是天文光学望远镜。经过不到一个世纪发展，现代天文望远镜已经是一个十分庞大的家族了。这个大家族除了光学望远镜外，还包括射电、红外、紫外、X射线、伽马射线等整个电磁波频谱内的各种望远镜；同时它还包括规模庞大、灵敏度非常高、视场非常大的非电磁波望远镜，即引力波、宇宙线和暗物质等特殊的天文望远镜。天文望远镜从分布位置上又分为地面、地下、水下、气球、火箭，空间等多种望远镜；从形式上又包括独立望远镜、望远镜阵列和干涉仪；从观察目标上又包括太阳、近地天体、天体测量和大视场等多种望远镜。用天文学的语言，就是我们已经进入了一个多信使的时代。现代天文望远镜常常具有很大的规模，需要十分巨大的资金投入，同时会产生非常庞大的数据量。正是由于天文望远镜的宏大规模，天文学又被称为大科学学科。
光学望远镜是人类眼睛的延伸。天文光学望远镜的发展已经有400多年的历史。利用光学天文望远镜，人们看到了很多原来看不到的恒星，发现了双星和变星。双星是指在天球上视位置十分接近的两颗恒星，它们的实际位置可能十分接近，也可能在视线方向上相当遥远。变星是亮度随着时间发生变化的恒星，变星包括周期性变星以及突然爆发的新星和超新星。周期性变星的绝对亮度和它的周期相关，所以后来它们成为测量恒星距离的标尺。很早天文学家就发现了光的频谱，恒星的光谱和它的物质成分及温度有着密切的联系。
麦克斯韦的电磁波理论使人们认识到可见光仅仅是电磁波的一部分。电磁波的其他波段分别是射电波、红外线、紫外线、X射线和伽马射线。为了探测在这些频段上的电磁波辐射，从19世纪30年代以来，天文学家又分别发展了射电望远镜、红外望远镜、紫外望远镜、X射线望远镜和伽马射线望远镜。这些电磁波频谱上的天文望远镜是对人类眼睛光谱能力的扩展。在20世纪中期，物理学家和天文学家又分别发展了引力波、宇宙线和暗物质望远镜。这些新的信息载体不再属于电磁波的范畴，但它们同样包含非常丰富的宇宙信息。随着对这些新信息载体的认识不断深入，天文学家正在发展灵敏度非常高的引力波望远镜、规模宏大的宇宙线望远镜和深入地下几千米的暗物质望远镜。这些特殊的天文望远镜也是对人类观测能力新的补充和扩展。
那么怎样来定义现存的、新建的或者规划中的各种各样的天文望远镜呢？根据上面的介绍，天文望远镜应该是这样一种仪器：它延伸了人类的眼睛，使你可以看到你本来看不到的十分遥远和微弱的天体；它扩展了人类的眼睛，使你可以看到你本来看不到的电磁波波段；它补充了人类的眼睛，使你可以看到你认为看不到物理现象或者从来没有看到过的特殊物质。当这些十分灵敏、十分精确的仪器应用于天文学和军事领域的时候，就称之为望远镜。而当它们应用于其他目的的时候，常常被称为探测器或者传感器等专门仪器。
身处21世纪，借助于各种各样的天文望远镜，人类的天文知识已经十分丰富。航天事业的发展使月亮这个最邻近的天体上留下了人类的足迹。人类制造的航天器也造访过太阳系中十分重要的一些行星和小行星。毫不夸张地说，人类对于宇宙的认识和知识几乎全部来源于天文望远镜的观测和分析。没有天文望远镜，就没有现代天文学。没有现代天文学，人类的知识就会缺少很大一块，便利的现代生活将会受到很大影响。同时，天文望远镜的发展也极大地促进了人类高新技术的发展。例如现代照相机的普及就与CCD在天文望远镜的应用相关，手机的定位功能也直接来源于射电天文干涉仪的相位测量的方法，而民航飞机的安检设备则是基于X射线成像望远镜的技术。天文望远镜促进了天文学的发展，但是宇宙没有穷尽，天文学家也不断要求发展更大、更好和更灵敏的各种天文望远镜，以提高人类探测各种微弱信息的能力。