2004年7月1日，经过七年漫长的宇宙飞行，“卡西尼”号飞船到达了观测神秘土星的轨道。土星有一个巨大而迷人的光环，那是由无数物质碎片或冰块组成的，里面包含着很多关于太阳系形成的信息；土星还拥有太阳系最大的卫星泰坦，那里有浓厚的大气，可能还有冰的海洋。过去人们以为遥远的土星就是太阳系的边界，现在已经可以到那里去做客。在人类敲响土星家门之前，我们先在这里初步认识一下它吧。
旅行者1号拍摄的土星照片。透过环缝可以看到木星表面。位于左边的亮点是土卫四。
土星是太阳系大行星之一，按离太阳由近及远的次序为第六颗，它还是太阳系第二大行星。中国古代称土星为填星或镇星。
在1781年发现天王星之前，人们曾认为土星是离太阳最远的行星。在望远镜中可以看到土星被一条美丽的光环围绕。土星还有较多的卫星，到1978年为止，已发现并证实的有10个，以后又陆续有人提出新的发现。
土星和它的卫星
土星在很多方面像木星，如它与木星同属于巨行星，它的体积是地球的745倍,质量是地球的95.18倍。在太阳系九大行星中，土星的大小和质量仅次于木星，占第二位。它像木星一样被色彩斑斓的云带所缭绕，并被较多的卫星所拱卫。它由于快速自转而呈扁球形。赤道半径约为60,000公里。土星的平均密度只有0.70克/厘米立方米，是九大行星中密度最小的。如果把它放在水中，它会浮在水面上。土星的大半径和低密度使其表面的重力加速度和地球表面相近。土星在冲日时的亮度可与天空中最亮的恒星相比。由于光环的平面与土星轨道面不重合，而且光环平面在绕日运动中方向保持不变，所以从地球上看，光环的视面积便不固定，从而使土星的视亮度也发生变化。当土星光环有最大视面积时,土星显得亮一些；当视线正好与光环平面重合时，光环便呈现为一条直线，土星就显得暗些。二者之间的亮度大约相差3倍。见下图：
土星绕太阳公转的轨道半径约为14亿公里，它的轨道是椭圆的。它同太阳的距离在近日点时和在远日点时相差约1 .5亿公里。土星绕太阳公转的平均速度约为每秒9.64公里，公转一周约29.5年。土星也有四季，只是每一季的时间要长达7年多，因为离太阳遥远，既使是夏季也十极其寒冷。土星自转很快，但不同纬度自转的速度却不一样，这种差别比木星还大。赤道上自转周期是10小时14分，纬度60度处则变成10小时40分。这就是说在土星赤道上，一个昼夜只有10小时零14分。
土星大气以氢、氦为主，并含有甲烷和其他气体，大气中飘浮着由稠密的氨晶体组成的云。从望远镜中看去，这些云像木星的云一样形成相互平行的条纹，但不如木星云带那样鲜艳，只是比木星云带规则得多。土星云带以金黄色为主，其余是桔黄色、淡黄色等。土星的表面同木星一样，也是流体的。它赤道附近的气流与自转方向相同，速度可达每秒500米，比木星上的风力要大得多。
土星极地附近呈绿色，是整个表面最暗的区域。根据红外观测得知，云顶温度为-170℃，比木星低50℃。土星表面的温度约为-140℃。土星表面有时会出现白斑，最著名的白斑是1933年8月发现的，这块白斑出现在赤道区，呈蛋形，长度达到土星直径的1/5。以后这个白斑不断地扩大，几乎蔓延到整个赤道带。
由于这颗行星表面温度较低而逃逸速度又大（35.6公里/秒）,使土星保留着几十亿年前它形成时所拥有的全部氢和氦。因此，科学家认为，研究土星目前的成分就等于研究太阳系形成初期的原始成分，这对于了解太阳内部活动及其演化有很大帮助。一般认为土星的化学组成像木星，不过氢的含量较少。土星上的甲烷含量比木星多，而氨的含量则比木星少。
1973年 4月美国发射的行星际探测器“先驱者”11号发现土星有一个由电离氢构成的广延电离层，其高层温度约为977℃。观测结果表明，土星极区有极光。
土星极光
目前认为，土星形成时，起先是土物质和冰物质吸积，继之是气体积聚。因此，土星有一个直径20，000公里的岩石核心。这个核占土星质量的10%到20％，核外包围着5，000公里厚的冰壳，再外面是8，000公里厚的金属氢层，金属氢之外是一个广延的分子氢层。
1969年，一架飞机在地球大气高层对土星的热辐射作了红外观测，发现土星和木星一样，它辐射出的能量是它从太阳接收到的能量的两倍。这表明土星和木星一样有内在能源。后来“先驱者”11号的红外探测证实了这一点，测得土星发出的能量是从太阳吸收到的2.5倍。
1610年，意大利天文学家伽利略观测到在土星的球状本体旁有奇怪的附属物。1659年，荷兰学者惠更斯证认出这是离开本体的光环。1675年意大利天文学家卡西尼,发现土星光环中间有一条暗缝,后称卡西尼环缝。他还猜测，光环是由无数小颗粒构成。两个多世纪后的分光观测证实了他的猜测。但在这二百年间，土星环通常被看作是一个或几个扁平的固体物质盘。直到1856年，英国物理学家麦克斯韦从理论上论证了土星环是无数个小卫星在土星赤道面上绕土星旋转的物质系统。(注）
土星环位于土星的赤道面上。在空间探测以前，从地面观测得知土星环有五个,其中包括三个主环(A环、B环、C环)和两个暗环（D环、E环）。B环既宽又亮，它的内侧是C环，外侧是A环。A环和B环之间为宽约5，000公里的卡西尼缝，它是天文学家卡西尼在1675年发现的。B环的内半径 91，500公里，外半径116，500公里，宽度是25，000公里，可以并排安放两个地球。A环的内半径121，500公里，外半径137，000公里，宽度15，500公里。C环很暗，它从B环的内边缘一直延伸到离土星表面只有12，000公里处，宽度约19，000公里。1969年在C环内侧发现了更暗的D环，它几乎触及土星表面。在A环外侧还有一个E环，由非常稀疏的物质碎片构成，延伸在五、六个土星半径以外。1979年9月，“先驱者” 11号探测到两个新环──F环和G环。F环很窄，宽度不到800公里，离土星中心的距离为2.33个土星半径，正好在A环的外侧。G环离土星很远，展布在离土星中心大约10～15个土星半径间的广阔地带。“先驱者”11号还测定了A环、B环、C环和卡西尼缝的位置、宽度，其结果同地面观测相差不大。“先驱者”11号的紫外辉光观测发现，在土星的可见环周围有巨大的氢云。环本身是氢云的源。
除了A环、B环、C 环以外的其他环都很暗弱。土星的赤道面与轨道面的倾角较大，从地球上看，土星呈现出南北方向的摆动，这就造成了土星环形状的周期变化。仔细观测发现，土星环内除卡西尼缝以外，还有若干条缝，它们是质点密度较小的区域，但大多不完整且具有暂时性。只有A环中的恩克缝是永久性的，不过，环缝也不完整。科学家认为这些环缝都是土星卫星的引力共振造成的，犹如木星的巨大引力摄动造成小行星带中的柯克伍德缝一样。“先驱者”11号在A环与F环之间发现一个新的环缝，称为“先驱者缝”，还测得恩克缝的宽度为876公里。由观测阐明土星环的本质，要归功于美国天文学家基勒，他在1895年从土星环的反射光的多普勒频移发现土星环不是固体盘，而是以独立轨道绕土星旋转的大群质点。土星环掩星并没有把被掩的星光完全挡住，这也说明土星环是由分离质点构成的。1972年从土星环反射的雷达回波得知，环的质点是直径介于4到30厘米之间的冰块。
土星环细部的模拟图像
注：
行星环的形成
围绕行星运转的物质环，由许多小物体构成，因反射太阳光而发亮，又称光环。十七世纪发现土星环以来，人们一直以为唯独土星有环。20世纪70年代后期天王星环和木星环的相继发现，打破了这种观念，并为研究太阳系起源和演化提供了新的信息。目前认为行星环的可能成因有三：1、由于卫星进入行星的洛希极限内为行星的起潮力所瓦解；2、太阳系演化初期残留下来的某些原始物质，因在洛希极限内绕行星公转而无法凝聚成卫星；3、位于洛希极限内的一个或更多的较大天体被流星轰击成碎片，构成行星环。一般说来，大多数行星环中的物质在行星的洛希极限内绕行星本体运转；最近发现，有的较外层的环可以分布在洛希极限外很远的地方，对于这些环的形成原因还有待研究。
洛希极限
在讨论卫星的形状理论中，若把卫星看成质量很小（相对行星而言）的流体团，就成为流体在行星引力作用下的形状问题。因行星引力很大，当卫星离行星很近时，潮汐作用会使卫星的形状变成细长的椭圆。当距离近到一定程度时，潮汐作用就会使流体团解体分散。这个使卫星解体的距离的极限值是由法国天文学家洛希首先求得的，因此称为洛希极限。
土星环中心到土星中心的距离为2.31个土星半径。若土星环的密度与土星相同，则这个距离小于洛希极限，因此解体分散，不能形成一个卫星。
下面是一些土星图片
上两张是哈勃太空望远镜拍摄的土星照片
旅行者1号距离72万公里拍摄的环局部
旅行者2号距离400万公里拍摄的土星环局部照片。可以看到环内的层次非常多。
探测器距离土星285万公里处拍摄的图片。左上的天体是土星最大的卫星-土卫六。
1980年11月5日旅行者1号拍摄的土星北半球局部图片。显示了大气对流所产生的云带
土星北极区域云层图像。可见两个类似地球台风的圆形旋转气流结构。
土星巨大的阴影投在环上。照片显示了环的半透明性。
土星云图。其中暗色卵形区域直径约4000公里，风速约每小时150公里。
旅行者2号拍摄的图片。可以看到环投在土星表面的阴影。图像左边中纬度地方的白色区域是一个风暴区。
局部风涡
这是哈勃望远镜拍摄的土星图片。上图中最大的卫星土卫六将影子投在土星上。右边四个卫星从左到右为土卫一、土卫三、土卫十和土卫二。在环的两端上还隐约可以看到两颗小卫星，左边的是土卫十七，右边是土卫十六。阳光还将环的影子投到了土星上。图片显示出土星环非常之薄。下图左边的卫星是土卫三，右边是土卫四。土卫四的阴影恰好投在环上。
旅行者1号于1980年11月3日距离土星1千3百万公里拍摄的土星及卫星。靠上边的是土卫三，下边的是土卫四。PIA00024。卫星的投影在土星面上，环的明暗也非常清楚。
旅行者2号1981年8月拍摄的土星和它的四个卫星，从上到下为土卫一、土卫三、土卫四和土卫五。其中土卫三的影子投射在土星的南半球。
大气结构
土星环局部
不同时间拍摄到的土星和它的小卫星
哈勃太空望远镜于1994年12月1日和1995年5月22日拍摄的土星图像，可以看出因旋转角度产生的环的视面变化。其中下图可见土星的两颗卫星，左边的是土卫三，右边的是土卫四。
土星的卫星至少有18个，其中9个是1900年以前发现的。土卫一到土卫十按距离土星由近到远排列为：土卫十、土卫一、土卫二、土卫三、土卫四、土卫五、土卫六、土卫七、土卫八、土卫九。土卫十离土星的距离只有159,500公里,仅为土星赤道半径的2.66倍，已接近洛希极限。这些卫星在土星赤道平面附近以近圆轨道绕土星转动。
土卫一是土星8个大的、形状规则的卫星中最小且最靠近土星的一个。直径392公里，与土星平均距离约185520公里。轨道近圆形。公转周期为23小时，正好是土卫三公转周期的一半，所以，这两颗卫星总是在土星的同一侧相遇。这种现象叫轨道共振态，原因还不清楚。土卫一的自转和公转同步，所以它总是以同一半球朝向土星。这一点类同月球与地球的关系。土卫一的平均密度仅为水的1.2倍，其表面有冻冰的特征。根据这些理由，可以认为，土卫一的主要成分是冰。它的表面明亮，布满碗形的深陨石坑。陨石坑深度大，是因为表面重力小的缘故。土卫一上最引人注目的表面结构是一个直径130公里的环形山，它位于朝向土星一面的半球中央。山壁高5千米，底深10公里，中央有一座长6千米的山峰。这是太阳系中已发现的、整体最大的陨击结构。
土卫二是土星的第三颗大卫星。在美国行星探测器“旅行者”2号于1981年从这一天体附近飞过以前，人们除知道它的轨道外，其他一无所知。在探测器靠近到87140公里处，发现土卫二有复杂的地质结构。观测表明，土卫二已经历了5个不同的演化时期。几个无环形山区域的年龄不超过1亿年。由于这一时段只占土卫二整个寿命的2%，似乎可以认为它还是一颗仍处于“活动期”的卫星。继续进行这种地质活动的能量可能来自土星和土卫四的起潮力。土卫二的直径为500公里，以圆形轨道环绕土星公转，和土星的平均距离为238020公里。平均密度只比水大10%，说明它的成分有一半或更多是冰。在土星的卫星中，土卫二的密度是最低的。它的反照率达100%，虽有环形山和崎岖的原野，但基本上是平坦的。
土卫三的主要成分是纯水冰。它的直径1060公里，在离土星294660公里处环绕土星运行。土卫三有两个值得注意的特征：一是有一条长达整个星球周长四分之三，占了整个表面5%到10%的大裂缝。据推测，大裂缝是卫星内部的水的冻结膨胀造成的；一是有一个直径400公里的环形山及内部巨大的中央峰。
土卫四的直径为1120公里，在平均距离为377400公里的近圆轨道上绕土星顺行。它66小时左右公转一周，正好是土卫二公转周期的2倍，估计是由于土卫二的潮汐热能所致。由于潮汐摩擦，土卫四的自转与公转同步，也总是以同一面对着土星。土卫四的表面亮度差别颇大，面朝轨道运行方向的前半面通常比后半面亮。但平均起来说，土卫四的反照率是很高的。据此猜测，它的表面由大量的冰构成。卫星密度是水的1.4倍，估计它由约40%的岩石与60%的冰构成。在这颗卫星上显然曾发生过大量冰溶化和地壳表面再造活动，因而同其他土星卫星相比，表面上环形山较少。大多数环形山都在朝轨道运动的亮面上。较暗的后半面则被许多形成网状结构的亮纹所割裂。其中有些是呈线状的槽沟和山脊。这些亮纹被解释为可能是由于挥发性物质从土卫四内部沿线状裂缝冒出并重新凝结而成的。尽管在土卫四背面网状结构中央附近也有大碰撞的迹象，但对土卫四表面为什么有这种明显的不对称性迄今仍不清楚。
土卫五的直径为1530公里，在平均距离为527040公里的近圆轨道上绕土星顺行。密度是水的1.3倍，因此，一般认为它主要是由冰构成的。红外光谱也显示其表面主要由霜构成。土卫五表面的反照率较高，但在不同区域有很大差别。同大多数土星的卫星一样，土卫五的自转与公转也是同步的，因而也总是以同一面对着土星。同土卫四一样，土卫五朝轨道运行方向的前半面既亮又多陨石坑，而后半面则较暗，而且上面只有一些亮纹和少量的陨石坑以及一些表面再造的迹象。尽管在土卫五的表面冰多于石，多陨石坑的一面却很像水星和月球上的那些密布陨石坑的高地。在土星系中，表面陨石坑最多的就是土卫五。在温度极低的情况下，冰与岩石显然有相似的力学性质。在陨石坑少的那一面，可看到亮的，呈线状或折线状的条纹，它们可能是大规模表面再造和一些挥发性物质（如水或甲烷气体）从裂缝里大量冒出的结果。陨石坑中的亮斑也可能是这种情况造成的。
土卫六是土星最大的卫星，也是太阳系中唯一已知有云和稠密大气的卫星。荷兰科学家惠更斯于1655年发现。土卫六的实体直径为5150公里，仅次于木卫三，是太阳系第二大卫星。它在一条椭圆形轨道上绕土星运行，公转周期差不多相当地球16天。一般认为它公转与自转同步，所以总是以一面对着土星。整体密度为每立方厘米1.881克，说明它内部是岩石和结冰物质的混合物，结冰物质可能含有固态的氨和甲烷以及固态的水。土卫六表面温度和大气压是“旅行者”1号探测器于1981年测到的，温度为零下179度（正负差2度），大气压约1.6巴，（相当于1.6倍地球表面大气压）。土卫六的大气成分主要是氮（和地球相似），还有甲烷、氢、一氧化碳和二氧化碳等，还包括一些有机气体，如乙烷、乙炔等。土卫六被包裹在一层深红色的烟雾内，这层烟雾很可能是一种更复杂的有机固体所形成的气悬胶，经由大气层缓慢沉降而堆积在表面上。在土卫六整个演化史所形成的量（主要由落在氨和甲烷大气上的太阳紫外光造成）约相当于覆盖表面深达至少几百米的一有机连续层。在球面之上和大部分不透光的有机烟雾之下，有一层凝结甲烷的浓密云层。有些证据显示，球体表面大部分为一片广大的液态甲烷和乙烷构成的海洋所覆盖。地球作为各种类型有机分子的深冻贮藏所，导致40亿年前在地球上出现了生命，而太阳系内可能有生命的场所是在液态碳氢海洋内，所以，土卫六在未来的空间探测中无疑是一个重点目标。
土卫七是土星一颗较小的卫星，它每23.3天绕土星一周，距土星1481000公里，位于土卫六和土卫八轨道之间。它是外形不规则的天体，其大小为410公里×260公里×22公里。具有较高的反照率（30%），这说明它表面为冰霜所覆盖。
土卫八是土星卫星系统中的一个外围卫星，以其表象而显异常。法国天文学家卡西尼1671年发现。土卫八以79.33个地球日环土星一周，与土星的距离为3561000公里。半径730公里左右，整体密度1.16。一个具有如此小的密度的固态天体只能是主要由冰组成。已观测出土卫八的自转周期等于其公转期，这和月球的情况一样。土卫八的固态表面受近距的其他大行星的引力作用也出现潮汐。其结果是土卫八的一面在其轨道运动中总是朝前，而另一面总是后随。朝前的半球只反射出照射其上的日光的一小部分而显得特别黑暗，而后随的半球却是一个比朝前的半球亮10倍的良好反射体。在太阳系所有天体中，它是亮度变化幅度最大的一个。“旅行者”号探测器在朝前的半球上发现有陨击的环形坑，但在后随的半球上没有。明亮的后随半球的表面物质中，可以肯定的是有水冰，不太肯定的是甲烷和其他的冰的混合物。朝前半球表面上的黑暗物质被认为是有机分子化合物，或许来自土星最外围的卫星——土卫九，或许是太阳紫外辐射冰中的甲烷而就地形成的。若是后面一种方式，甲烷冰的快速蒸发，以及受微陨石的轰击将表面物质从朝前半球弹道式传输到了后随半球，这或许可以解释前后两半球的亮度不对称性。
土卫九直径约220公里，距离土星平均距离约为12952000。是已知土星卫星中距土星最远的一个。轨道偏心率很大，同土星环面的倾角也很大。它是一颗规则卫星，但为逆行。在土卫一至土卫十这10颗土星卫星中，土卫九是唯一的逆行卫星，它绕土星的转动方向和土星绕太阳的转动方向相反。因此，土卫九可能是一颗被俘获的像小行星那样的天体，而不是土星原来固有的卫星。
土卫十是一个不规则形状的小卫星，它和土卫十一使用两条距离只有五十公里的轨道环绕土星运行，当它们非常接近时，便会交换轨道，较外的转到较内，较内的转到较外，这情况每四年发生一次。目前，这是一个罕见的情况，“卡西尼”号探测器到达土星后将会查明原因。由于土卫十的表面受了很多大大小小的撞击，因此相信它的表面有数十亿年的历史。
土卫一至土卫九大小比较
1675年，一位叫卡西尼的科学家发现土星环中间有一道缝隙，这道缝隙后被命名为“卡西尼缝”。他还猜测土星环是由无数小颗粒构成的，而当时人们都认为那是一个固体物质盘。300多年后的今天，一艘以他的名字命名的飞船圆满完成了人类探测土星的任务。
1997年10月15日，20世纪最大的行星探测器“卡西尼”号飞船携带探测器“惠更斯”由大力神4B运载火箭从肯尼迪航天中心发射成功，从此踏上耗时七年长达32亿公里的土星之旅。探测器直径约27米，总重6吨多，由轨道器和“惠更斯”探测器组成。它的主要任务是，对土星、土星光环及土星的卫星，尤其是其中的土卫6进行空间探测。
发射成功
“卡西尼”轨道器重2150公斤，重350公斤的“惠更斯”子探测器安装在它的侧面。探测器载有3100公斤的推进剂。由于土星距地球比木星距地球还远，探测器任务又极为复杂，所以对轨道器设计提出了很高的要求，超过“伽利略”探测器，而成为最复杂的“神探”。从1990年开始研制，到2008年“卡西尼”完成任务寿终正寝，这项计划总开支约34亿美元。探测器是国际合作的结晶，其中“卡西尼”轨道器由美国建造、“惠更斯”号探测器由欧洲太空总署提供，“卡西尼”号的碟状高增益天线由意大利天文总署制造。
由于土星距太阳很遥远，所以仅用太阳能电池阵提供能源是远远不够的，为此，与“伽利略”木星探测器一样，“卡西尼”土星探测器载有3台钚放射性同位素热发电器提供电力，这种发电器靠钚自然衰变发出的热量来产生直流电，它的工作寿命很长，到“卡西尼”完成使命时，还能发生628瓦的电力。
“卡西尼”轨道器上载有12台科学探测仪器，子探测器携带6台科学仪器，其重量之大，即使用目前推力最大的商用火箭大力神4B，也无法使这一庞然大物加速至可以直飞土星的速度。因此它只能通过多次借力飞行，利用金星、木星等的引力来完成这次“长征”。“卡西尼”1997年10月15日升空后，将要花费7年时间，飞越32亿公里，于2004年7月才能抵达土星。届时，探测器上的发动机点火使探测器进入土星轨道开始对土星光环和包括“土卫六”在内的土星卫星家族进行为期４年的深入探测。同年11月15日所携带的“惠更斯”子探测器被释放出去，并于12月16日进入土星最大的卫星（土卫六）进行探测。轨道器的工作寿命为4年。在绕土星飞行的过程中，它还将飞越土卫六数十次，有些飞越离该卫星的距离仅有850～950公里。
火箭大力神4B
借力飞行示意图
最后，2005年1月14日，“惠更斯”将降到太阳系中最大的卫星-土卫六的表面。当它冲入土卫六稠密的大气层时，速度达到7倍音速，并产生大量的热。下降过程中，探测器的电池将提供约153分钟的能源，各种仪器全部打开。下降过程将至少拍摄1100张图像。此期间所得到的数据和图象，用无线电信号即时传送给轨道上的“卡西尼”号飞船，然后再传回地球。人们希望知道，土卫六的表面，是一片汪洋，还是坚实的土地，或者有山有水甚至有生命。
2002年10月，“卡西尼”号在征途中成功拍摄了首幅土星照片。当时它距土星2.85亿公里，大约相当于太阳和地球之间两倍的距离。照片显示，土星的巨大阴影覆盖着部分土星光环，照片同时还将土星最大的卫星-土卫六（泰坦）摄入其中。
卡西尼探测器到达目的地后，将向人类展示前所未见的土星风貌，它发回地球的数据总量将能刻满数百张光盘。目前“卡西尼”号运行情况良好。
技术人员在细心组装卡西尼探测器
这是惠更斯子探测器。金黄色的大圆形是隔热盾。进入土卫六打开降落后，它将被抛掉。
将惠更斯与卡西尼接到一起
运出组装车间，前往发射塔。
整流罩安装完毕
安装在运载火箭上
探测器结构示意图
记录着数十个国家科学家、名人签名的DVD盘放入探测器。2008年探测器完成使命后，它们将永远地驻留在土星轨道上。
探测器到达土星轨道想象图
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