공중 망원경은 지구 대기권 위쪽이나 대기 중에 설치하여 천체를 관측하는 장치를 통칭한다. 지상에 설치된 망원경은 지구 대기의 난류로 인해 별빛이 흔들리는 현상인 '신틸레이션'의 영향을 받으며, 이는 관측 이미지의 해상도를 저하시키는 주요 원인이 된다. 또한 대기 중의 수증기와 이산화탄소 등은 특정 파장의 빛을 흡수하거나 산란시켜 지상까지 도달하지 못하게 방해한다. 이러한 환경적 제약을 극복하고 우주의 모습을 더욱 선명하게 포착하기 위해 망원경을 높은 고도에 배치하는 방식이 고안되었다.

공중 망원경의 운용 방식은 크게 항공기나 기구에 탑재하는 형태와 우주 궤도에 올리는 형태로 구분된다. 항공기 탑재형 망원경은 대기 밀도가 낮은 성층권까지 비행하여 관측을 수행하며, 지상으로 귀환이 가능해 장비의 유지보수와 업그레이드가 용이하다는 장점이 있다. 반면 우주 궤도형 망원경은 대기권 밖으로 완전히 벗어나 영구적으로 궤도를 돌며 관측을 수행한다. 이는 대기의 영향을 전혀 받지 않으므로 현존하는 관측 장비 중 가장 높은 정밀도를 자랑한다.

이 장치들의 가장 핵심적인 역할은 전자기파 스펙트럼의 확장이다. 지상 망원경은 가시광선과 전파 영역에서는 효과적이지만, 자외선, 엑스레이, 감마선 및 특정 적외선 파장대는 대기에 가로막혀 관측이 불가능하다. 공중 및 우주 망원경은 이러한 보이지 않는 빛을 포착함으로써 별의 탄생과 소멸 과정, 블랙홀 주위의 고에너지 현상, 그리고 외계 행성의 대기 성분 등을 분석할 수 있게 해준다. 특히 적외선 관측은 성간 먼지에 가려진 천체 내부를 들여다볼 수 있는 중요한 수단이 된다.

역사적으로 허블 우주 망원경은 1990년 발사 이후 현대 천문학에 가장 큰 기여를 한 공중 망원경으로 평가받는다. 허블은 우주의 팽창 속도를 측정하고 은하의 진화 과정을 밝히는 등 수많은 발견을 이끌어냈다. 이어 2021년 발사된 제임스 웹 우주 망원경은 초정밀 적외선 관측 기능을 갖추어 빅뱅 직후 형성된 초기 은하를 탐사하고 있다. 항공기형으로는 미 항공우주국(NASA)과 독일 항공우주 센터가 공동 운영했던 소피아(SOFIA)가 대표적이며, 성층권에서 적외선 천문학 연구에 중요한 데이터를 제공했다.

기술의 발달에 따라 공중 망원경은 더욱 정교해지고 있다. 최근에는 초소형 위성 기술을 활용해 특정 천체만을 집중적으로 감시하는 소형 우주 망원경 군집이나, 거대 렌즈를 우주 공간에서 조립하는 차세대 프로젝트들이 추진되고 있다. 이러한 도구들은 단순히 천체의 사진을 찍는 것을 넘어, 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체를 밝히고 지구와 유사한 환경을 가진 외계 생명체의 존재 가능성을 탐구하는 인류의 최전선 장비로 기능하고 있다.