在以后的年代里，许多观测者都描绘了自己所见的土星具有非常奇怪的现象。但没有人能解释它的形象为什么那样变化多端。半个世纪以后，荷兰天文学家惠更斯用更大更好的望远镜进行观测，才揭开了这个谜。原来那两颗“卫星”是与土星不相连接、环绕在土星赤道面上的光环。这光环由无数个形状、大小不等，直径在7．6厘米至9米之间的冰块组成，以很快的速度浩浩荡荡地围绕土星运转，在太阳光的照耀下呈现出各种颜色。光环的直径达27万千米，厚度为10千米左右，由东向西自转。到1675年，意大利天文学家卡西尼（G．D．Gassini）在土星光环中发现有一圈空隙。他所发现的这个空隙，就是以他的姓命名的著名的卡西尼环缝。
地面观测发现土星光环厚约3千米，宽达20多万千米，可分成7个环，最亮的环宽约2．6万千米；环与环之间有1条缝隙，最大的缝隙约5000千米。
1980年11月，“旅行者1号”探测器拜访土星时，发现土星光环不止7环，而是由成千上万细小的环构成的，这些细环就像一张巨大的密纹唱片上的波纹，从土星云顶一直延伸到32万千米的地方。这些光环是由无数颗大小不等的石块和冰块组成，大多数的直径在4—30厘米之间。如若将这些石块和冰块聚合在一起，可构成月球那样大小的天体，可见，土星光环决非等闲之物。
土星光环不是随时可见的，光环侧对着地球时能够看到光环；光环平对着地球时，哪怕用最大的天文望远镜也无法看到它的“尊容”，如1995年和2009年就无法看到。
土星环的结构是17—19世纪陆续被发现的。到20世纪80年代初，至少有3个探测器先后对土星做了“走马观花”式的观测，最大的发现是土星环的结构极为复杂。
原来，人们根据地面观测和空间探测，把土星环划分为7层。距土星最近的是D环，亮度最暗，其次是C环，透明度最高，B环最亮，最后是A环。
在A环和B环之间有段黑缝，这就是著名的卡西尼环缝，缝的宽度大约5000千米。在A环之外有E、F、G三个环，最外层的是E环，十分稀薄和宽广。
“旅行者”1号和2号探测器把土星环的近距离照片送回地球后，科学家们十分吃惊：原来每一个小环又可细分成上千条大大小小的小环，即使被认为空无一物的卡西尼缝也存在几条小环。在高分辨率的照片中可以见到F环有5条小环相互缠绕在一起。土星环的整体形状就类似一个巨大的密纹唱片，从土星的云顶一直延伸到32万千米远的地方。
光环的颜色远看是红棕色，其实每层环的颜色都稍有不同，C环是蓝色，B环内层为橙色，外层为绿色，A环为紫色，卡西尼缝是蓝色。
旅行者号探测器展示给我们的是土星光环的新结构，目前还有些问题较难解释。
拜访女巨神
1655年3月25日，荷兰天文学家惠更斯在用自制的3．7米长折射望远镜观测土星的时候，突然发现了一颗土星的卫星，这颗卫星被命名为提坦。提坦是希腊神话中的女巨神、第二代天神克洛诺斯的妻子。它就是最受天文学家瞩目的土卫六，是被人类发现的第一颗土星卫星。
长期以来，土卫六一直被认为是太阳系卫星中体积最大、比水星还大的卫星之王。旅行者号探测器的一次近距离测量，在35千米处拍下5张高分辨率的照片。照片上土卫六展现出美丽的橘红色的星体，像一个熟透了的橘子。
更重要的是收到的数据资料，改写了土卫六原来5800千米的直径，实际直径应为4828千米，迫不得已地把“卫星之王”的桂冠转让给了木星的卫星木卫三，屈居第二。这并没有影响它的地位，科学家们一直对土卫六很感兴趣，原因在于它是卫星中唯一有大气存在的天体。大气的主要成分是氮，约占98％，甲烷占1％，其余的碳氢化合物在大气中所占比例非常小，大气层厚度约为2700千米。土卫六的表面温度很低，在－190℃到－210℃之间，使之形成了美丽的液氮海洋。
虽然我们看不到土卫六的表面，但旅行者号探测器为我们提供的资料显示：土卫六是太阳系中的又一个奇异世界，黑暗寒冷的表面，液氮的海洋，暗红的天空，偶尔洒下几点夹杂着碳氢化合物的氮雨等。这些是人类了解生命起源和各种化学反应的理想之处。
从惠更斯发现土卫六以来，至今已有300多年的历史，土卫六仍是一个待解之谜。要想对土卫六有更深刻的认识，还需要人类不断地进行探索。
天文学家们为什么特别看重土卫六呢？因为土卫六“天资”出众，所以受到天文学家们的青睐和器重。土卫六与众不同的“天资”表现在如下方面：
首先，土卫六的直径为4828千米，在卫星世界中居第二位，比九大行量中的冥王星大许多，跟水星的个头儿差不多。它的质量是月球质量的1．8倍，平均密度为每立方厘米1．9克，约为地球密度的1／3，引力则为地球的14％。
土卫六与土星的平均距离为122万千米，沿着近乎正圆形的轨道绕土星运动。它像月球一样，总以同一面向着自己的行星——土星。也就是说，如果在土星上看土卫六的话，永远只能看到土卫六的同一个半面。它的轨道基本上在土星赤道面内。你可以想一想，土卫六这么大的天体，沿着大约122万千米的半径，居然运动在近乎正圆的轨道上，这真是有点难以想象。
如果让我们专门画这样一个圆，恐怕也是不容易办到的。足见天体演化中的自然奇观。
第二，1944年，美籍荷兰天文学家柯伊伯对土卫六进行了系统的分光观测研究，发现土卫六上有甲烷气体，从而确认土卫六上有浓密的大气层。
一直到现在，土卫六仍是太阳系内已知的60多颗卫星中有大气的唯一卫星，这怎能不受到天文学家们的特别宠爱呢？
第三，根据土卫六的物理状况、化学成分和运动特征，天文学家们判定土卫六是和土星一起演化形成的，属于稳定卫星，不可能是土星后来捕获的小天体。一些天文学家曾一度将土卫六的质量、体积、表面重力、表面温度、大气成分、水和冰的含量、自转和公转等天体特征和天体环境与地球进行比较，目的是想从中获取有关早期生命物质演化的蛛丝马迹。
其他天体上有没有生命的繁衍？这个问题一直萦绕在天文学家们的脑际。土卫六的发现者惠更斯在《天体奇观，关于其他行星上的居民、植物及其世界的猜想》一书中写道：如果我们认为这些天体上除了无边无际的荒凉之外，一无所有，甚至进一步认为那里根本不可能存在高级生物，那么我们无异就贬低了它们，而这是非常不合情理的。诚然，判断哪个天体上有没有生命，这是一个十分严肃的科学问题。从目前看，恐怕过于乐观是不现实的，然而过于悲观也是没有根据的，实践是检验真理的唯一标准。至于土卫六上的生命信息，至今仍是个不容乐观的谜，但是一定会在不断探测的实践中得到解决。
在地球上凭眼睛直接看是绝对看不到土卫六的。
用好的天文望远镜观测它，也只能看到一个小小的红点似的盘状体。为什么是这个颜色呢？有人认为这可能是因为土卫六上存在着复杂的有机分子。
当然，完全依靠地面观测是解决不了这类问题的，只能等待探测器的进一步观察。
随着宇航事业的飞速发展，行星际探测器取得了阶段性的成果。目前，亲自探测过土卫六的行星际飞船共有两个。它们是美国发射的“先驱者11号”和“旅行者1号”。
1979年9月1日，“先驱者11号”飞掠土星，考察了土卫六。不过，当“先驱者11号”考察土卫六时，正赶上一阵强烈的太阳风，严重地影响了发回的信息。地面控制中心只收到它在35万千米处拍下的5张高分辨率的照片。在照片上，土卫六呈现美丽的橘红色，像熟透了的橘子。“旅行者1号”
于1980年11月11日飞临土卫六。它离土卫六最近时，离云顶只有4000千米，探测取得完满的成功。就是这次，测得土卫六的直径为4828千米，而不是过去认为的5550千米。
“旅行者1号”对土卫六的考察结果表明，土卫六确有浓厚的大气层，约有2700千米厚，比地球大气密度还高。大气的主要成分是氮气，占98％，甲烷占1％，还有少量的乙烷和氢等。金星、地球和火星的大气中也都有氮气，但是都没有土卫六这么多得惊人。
“旅行者1号”还发现土卫六大气呈雾状。浓密的雾层使阳光不能照到土卫六的表面，影响了“旅行者1号”对土卫六表面的观测。同时，也有的科学家根据“旅行者1号”的观测资料，认为土卫六大气中充满甲烷。
为了进一步研究土卫六大气和生命的关系，美国康奈尔大学的行星物理学家卡尔·萨根等人，做了土卫六大气模拟实验。研究者认为，土卫六上含有大量氮气的大气层，产生了各种各样的生命前的化学物质。萨根指出：“早期的地球上可能也曾发生过类似的过程。但在土卫六上发生的生命前化学过程，因为那里的温度远低于水的冰点，大概是不会有生命的。”
说到这里，你有没有想到：为什么在卫星中只有土卫六有如此丰富的大气层呢？这一直是行星物理学家们在探索的问题。有人认为，这可能是土卫六表面温度高到足以维持相当数量的甲烷和氨气，以保持与其表面的冰相平衡。也可能是土卫六上的冰含有甲烷和氨，在上卫六的温度下容易形成大气。
第三种可能是土卫六大气不会像受木星强磁场那样，使大气跑掉。第四种可能是土卫六的质量大，能经受内部的分化，分化出的冰向表面集中，它的引力足以使大部分的气体不至跑掉。
这颗令人神往的土卫六表面是什么样子呢？至今还没有直观的资料。科学家们做过多种可能的推测，科学幻想小说家们对土卫六的描述，更是笔下生辉。然而，一切都必须尊重科学。
根据土卫六大气中那么多氮气，同时土卫六表面温度又比地球低得多，约在－201到－190℃之间，以及土卫六的体积和质量等，有的科学家推测它的内部物理状况及表面特征，并首先寻找土卫六上的岩石和冰的比例关系。有人估算土卫六上的岩石物质约占它总质量的55％，其余为冰；土卫六表面是寒冷的液态海洋，海洋中70％是乙烷，25％是甲烷，5％是熔解氮，整个液态海洋约有1千米厚，包围着土卫六。1989年6月4日—5日，从地球上向土卫六进行了雷达探测，结果表明土卫六上也可能有陆区。
“旅行者1号”还发现土卫六的南北两半球的明暗有差异：南半球明亮，北半球暗淡。这是什么原因引起的呢？可能是土卫六上南北不同季节引起的。“旅行者1号”拜访时，土卫六北半球正好是春季的开始。不过，也有人认为这可能是土星磁层对土卫六的影响。总之，目前还解释不清楚。土卫六大气吸光能力很强，可吸收落在它上面的阳光约80％。这些热量大部分被大气中的雾粒和甲烷气体吸收，也许只有5％—10％的阳光能到达土卫六的表面。
从惠更斯发现土卫六起，300多年来，关于土卫六的不解之谜似乎越来越多，这表明我们的认识越来越深刻。伟大的波兰天文学家哥白尼有一句名言：“人的天职是勇于探索。”