La conquête de la lune aura ainsi eu lieu au XXème siècle et celle de Mars au XXI ème siècle mais il faudra sans doute encore attendre d'autres siècles et probablement le 4ème millénaire pour que l'homme puisse franchir les limites du système solaire afin d'atteindre le système stellaire le plus proche, celui d'alpha du Centaure à 4,3 années-lumière. A 40 000 km/h, vitesse actuelle d'un vaisseau spatial, il faudrait en effet aujourd'hui 116 000 ans pour parvenir à cette étoile.

Des progrès scientifiques et technologiques considérables restent donc à accomplir pour pouvoir envisager un tel voyage: mise au point de modes de propulsion adaptés (fusion nucléaire contrôlée, annihilation de matière et d'antimatière), de protection contre les radiations et les projectiles interstellaires, de stockage des ressources, de survie pendant une longue durée (hibernation). Cependant l'Histoire récente prouve que de tels progrès sont possibles dans un délai souvent plus rapide que prévu, notamment lorsque les moyens correspondant à l'enjeu sont dégagés. Le programme Apollo, dont l'ambition paraissait démesurée, a ainsi été réalisé en moins de 10 ans.

La durée du voyage est l'une des questions majeures à résoudre. En effet dans l'espace, les distances à parcourir sont énormes et, si l'on s'en tient au référentiel terrestre, tout voyage dépasserait très largement la durée d'une vie humaine. La seule solution est donc de pouvoir construire un jour un vaisseau spatial permettant d'atteindre une vitesse relativiste aussi proche que possible de celle de la lumière.

Einstein, dans ses articles sur la relativité restreinte en 1905, a notamment démontré que plus un véhicule se déplace rapidement par rapport à la terre, plus le temps observé à l'intérieur de ce véhicule ralentit par rapport au temps terrestre et plus les distances parcourues diminuent par rapport aux distances observées à partir de la terre. Ce double principe relativiste de dilatation du temps et de contraction des longueurs se traduit dans la formule mathématique suivante:

t/t' = l/l' = 1/(1-v²/c²)^1/2

Le tableau ci-après montre que les deux phénomènes ne deviennent significatifs que lorsque le véhicule a au moins atteint la moitié de la vitesse de la lumière mais deviennent impressionnants lorsque le véhicule dépasse 99,5% de la vitesse de la lumière . Celle-ci reste néanmoins infranchissable. A 99,9999% de la vitesse de la lumière, un km parcouru par le véhicule représenterait 707 km terrestres et un jour écoulé représenterait près de 2 ans terrestres. Malheureusement, la variation de la longueur et du temps s'accompagne dans la même proportion d'une variation de la masse et il paraît pour l'instant difficile de penser qu'un véhicule allant à une vitesse relativiste puisse développer l'énergie correspondant à un accroissement de sa masse supérieur à 100 fois celle de sa masse au repos, ce qui serait déjà très considérable. Dans ces conditions, la limite maximum de vitesse pour un vaisseau spatial se situerait  à moins de 99,99% de la vitesse de la lumière.

Il est impossible qu'un vaisseau spatial atteigne instantanément une vitesse proche de celle de la lumière. Tout voyage interstellaire devra donc comporter trois phases: une phase d'accélération pour atteindre cette vitesse , une phase de croisière à cette vitesse et une phase de décélération avant l'atterrissage. L'accélération et la décélération doivent rester supportables pour les astronautes. L'hypothèse à retenir est probablement que celles-ci soient égales à la force de la pesanteur g, à laquelle le corps humain est habitué (g=9,81m/s/s). Les 3 exemples suivants montrent ce que pourrait être un voyage relativiste à destination d'une étoile proche, d'une étoile à distance moyenne et d'une étoile lointaine située au centre de la Galaxie: 

Ces exemples permettent de tirer les conclusions suivantes:

  les phases d'accélération et de décélération imposent  pour les astronautes  une durée de voyage minimum de près de 3 ans et demi. Cette durée augmente d'autant plus que l'accélération ou la décélération sont inférieures à g.

  l' espoir de retour n'est  raisonnable que pour les voyages à destination des étoiles les plus proches. Pour les étoiles à distance moyenne, le décalage temporel devient trop important même si le retour reste théoriquement possible: dans le cas n°2, l'aller-retour durerait 24 ans pour l'équipage mais plus de 1 200 ans pour la terre.

  vers les étoiles lointaines de la Galaxie, l'échelle humaine ne suffit plus pour le voyage et il faudrait imaginer des vaisseaux immenses pouvant transporter des colonies entières pendant plusieurs générations vers un objectif sans retour.

  enfin, le voyage relativiste permet de franchir les limites du système solaire mais pas celles de notre galaxie pour aller conquérir l'Univers.

 La vitesse de la lumière et  l'augmentation de la masse en fonction de la vitesse constituent deux barrières imposées par la théorie de la relativité restreinte. Pour contourner ces barrières, diverses hypothèses ont été avancées mais elles restent pour l'instant très incertaines. L'une d'elles, l'idée des trous de ver, est liée à la constatation des trous noirs. Einstein, dans la théorie de la relativité générale en 1915, a expliqué que l'Univers est courbe et que la gravité est une distorsion de l'espace. Il en résulte que, par l'effet d'une masse, celle d' une étoile par exemple,  l'espace plan se déforme en objet à trois dimensions. Si la masse est énorme, comme celle des trous noirs, l'espace se déforme encore plus en objet à quatre dimensions, la quatrième dimension étant celle du temps qui ne peut être directement observée. Les trous noirs pourraient  ainsi perforer l'espace, devenant l'entrée de trous de ver, sortes de tunnels gravitationnels intemporels . Pouvoir emprunter un de ces tunnels permettrait de passer d'un point à un autre de l'espace de façon quasi instantanée. Les recherches sur l'espace-temps sont un des sujets les plus passionnants de la cosmologie. L'avancée de ces recherches ainsi que le progrès technologique rendront sans doute un jour possible l'exploration humaine de l'Univers.