As observações efectuadas com os telescópios do ESO conduziram a uma série de avanços na astronomia e, ao longo dos anos, foram responsáveis por algumas descobertas fundamentais. Segue-se uma lista das 10 principais descobertas astronómicas do ESO até à data.
Vários dos principais telescópios do ESO foram utilizados num estudo realizado ao longo de 16 anos para obter a visão mais pormenorizada possível do ambiente que rodeia o monstro no coração da nossa galáxia, um buraco negro supermaciço.
Duas equipas de investigação independentes, utilizando observações de explosões estelares, incluindo as obtidas com os telescópios do ESO em La Silla e Paranal, demonstraram que a expansão do Universo está a acelerar. Este resultado valeu o Prémio Nobel da Física de 2011.
O planeta há muito procurado, designado Proxima b, orbita a sua estrela hospedeira vermelha e fria a cada 11 dias e tem uma temperatura adequada para a existência de água líquida na sua superfície. Este planeta rochoso é ligeiramente mais maciço do que a Terra e é o exoplaneta mais próximo de nós (e pode também ser o local mais próximo de albergar vida fora do Sistema Solar).
Em 2014, o ALMA, o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, forneceu pormenores importantes de um sistema solar em formação. As imagens de HL Tauri foram as mais nítidas alguma vez obtidas em comprimentos de onda submilimétricos. Mostram como os planetas em formação sugam poeira e gás num disco protoplanetário.
O VLT obteve a primeira fotografia direta de um planeta fora do nosso sistema solar. Trata-se de um planeta gigante, cerca de cinco vezes mais maciço que Júpiter, que orbita uma anã castanha a uma distância equivalente a 55 vezes a separação entre a Terra e o Sol.
Uma bateria de telescópios do ESO no Chile detectou a primeira contraparte visível de uma fonte de ondas gravitacionais. Estas observações históricas sugerem que este objeto único é o resultado de uma fusão de duas estrelas de neutrões. As consequências cataclísmicas de uma tal fusão, eventos há muito previstos chamados kilonovae, espalham pelo Universo elementos pesados como o ouro e a platina.
Através do VLT, foi possível, pela primeira vez, analisar a atmosfera que rodeia um exoplaneta do tipo super-Terra. O planeta, conhecido como GJ 1214b, foi estudado enquanto transitava em frente da sua estrela hospedeira e parte da luz estelar atravessava a sua atmosfera. A atmosfera é maioritariamente vapor de água ou dominada por nuvens densas ou neblina. Isto resulta da primeira medição direta do espetro de um exoplaneta.
O VLT detectou, pela primeira vez, moléculas de monóxido de carbono numa galáxia situada a cerca de 11 mil milhões de anos-luz de distância, uma proeza impossível de alcançar durante 25 anos. Isto permitiu aos astrónomos obter a medição mais precisa da temperatura cósmica numa época tão remota.
Astrónomos que utilizaram o instrumento HARPS do ESO descobriram um sistema de pelo menos cinco planetas em órbita de uma estrela semelhante ao Sol, conhecida como HD 10180, e forneceram provas da possível existência de dois outros planetas, um dos quais poderá ter a massa mais baixa observada até à data. A equipa também encontrou provas de que as distâncias entre os planetas e a sua estrela seguem um padrão regular, tal como no nosso Sistema Solar.
Os telescópios do ESO forneceram provas conclusivas de que as explosões de raios gama estão ligadas à explosão final de estrelas maciças, respondendo a uma questão há muito colocada. Além disso, um dos telescópios do Observatório de La Silla conseguiu observar, pela primeira vez, a luz visível emitida por uma explosão de raios gama de curta duração, mostrando que esta categoria de objectos teve provavelmente origem na colisão violenta de duas estrelas de neutrões durante a sua fusão.