望远镜技术的改进，使19世纪末20世纪初的天文学家有能力在解析（能看得见）出在艾奥上大区域的表面特点。
在1890年代，巴纳德首先观察到艾奥的赤道和极区之间在光度上的变化，正确的测量出这两个地区的光度变化是来自颜色和反照率的不同，而不是因为艾奥呈现卵型，一如威廉·皮克林和他的同伴所主张的，而不是巴纳德最初所主张的是两个不同的天体。之后的望远镜观测证实了艾奥很明确的在极区是红棕色的，而赤道带是黄白色的。
在20世纪中期的望远镜观测开始注意到艾奥异常的本质。分光镜的观测建议艾奥的表面没有水冰（在其它的伽利略卫星上被发现含量丰富的物质）；同样的观测亦表面主要的成分是钠盐和硫磺。电波望远镜的观测揭露了艾奥对木星的磁层有所影响，如被观察到的十米的波长爆发与艾奥的轨道周期有关。
通过艾奥附近的第一艘航天器是先驱者10号和先驱者11号这一对孪生的航天器，分别在1973年12月3日和1974年12月2日以无线电追踪提供了艾奥质量的改善估计值、与艾奥尺寸的最佳值。认为艾奥是四颗伽利略卫星中密度最高的，主要是由硅酸盐的岩石组成，而不是水冰组成的。
先驱者号也揭露艾奥有稀薄的大气层，轨道附近有强烈的辐射传送带。先驱者11号的照相机获得的唯一一张好的照片，显示了艾奥的北极地区。先驱者10号原先计划在近距离的接近艾奥时拍摄照片，但是这项观测因为高辐射的环境而失败了。
当另一对航天器旅行者1号和旅行者2号在1979年掠过艾奥，它们更为先进的影像系统可以获得更好的影像。
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