1610年，伽利略将他粗糙的望远镜对准土星，对所见之物惊叹不已：“土星并不孤单，而是由三个行星组成，它们几乎相互触碰，并且相对于彼此来说，它们从不移动或改变。”更糟的是，当他在几个月后再次观测时，主行星两侧的两个膨胀行星消失了。“对于这种奇怪的变形，该如何解释呢？”他哀叹道。最终，恼火的伽利略决定不再观察土星。
当然，现在我们拥有更好的望远镜，我们知道伽利略看到的是土星那套独特的、宽而薄的环。从侧面看，它们在伽利略的弱透镜下看起来像伴随行星；后来，从边缘看，它们缩小到无形——一个看不见的薄片。但是，在伽利略观测近400年后，土星仍然让天文学家捉摸不透，我们看得越近，看到的怪象越多。例如，土星壮丽的环由数万亿块冰组成，有些只有尘埃颗粒那么大，构成了一个奇特而复杂的卫星系统。环状颗粒如此微小，你可能会认为它们会迅速散开并落入行星，但它们仍然在那里。而这颗行星的结构如此松散，以至于它可以在水上漂浮。
在另一个极端，土星巨大的卫星泰坦似乎更像一颗独立的行星，比水星还大，并笼罩在浓密的大气层中。泰坦的表面似乎覆盖着乙烷海洋和可能类似于早期地球表面化学物质的有机粘液，但没人确定，因为天文学家无法穿透这颗卫星令人抓狂的不透明橙色雾霭。在这两者之间，土星至少有30颗其他较小的卫星，有的光滑，有的被撞击过，有的则奇怪地斑驳。
当美国宇航局评估了土星广阔的神秘之处并决定派探测器前往时，它选择了相当于战列舰上大炮的科学仪器：一个高22英尺、重12,600磅的航天器，名为“卡西尼-惠更斯”。这个庞然大物是美国迄今为止发射到深空的最大的物体。总花费33亿美元，它也是最昂贵的行星任务之一。卡西尼号非常沉重，以至于美国宇航局没有足够强大的火箭将其送往直接航线，因此工程师设计了一条长达22亿英里的“绕圈”轨迹，利用金星、地球和木星的引力将航天器送往目的地。
6月底，卡西尼号抵达土星，终于开始消除自伽利略研究土星以来一直笼罩在该行星周围的疑问。它携带了十几种仪器，包括可见光、紫外线和红外线传感器，以及磁力计、雷达和等离子体探测器。所有设备都将由三个钚驱动的发电机供电，产生750瓦的电力。较小的惠更斯号探测器将于12月24日与卡西尼号分离，前往与泰坦会合。惠更斯号拥有自己的一套相机和传感器。“你需要一套完整的仪器来同时进行测量，这样你才能关联所有结果，”位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室卡西尼项目经理罗伯特·米切尔说。
卡西尼项目团队的许多科学家都为此时刻等待了他们职业生涯的大部分时间。先驱者11号是第一个访问土星的航天器，于1979年传回了几张引人入胜的照片。20世纪80年代初，旅行者1号和2号飞掠而过，发回了更清晰的土星环图像和关于泰坦大气的有趣数据。“在旅行者号之前，我们了解甚少，”美国宇航局艾姆斯研究中心行星科学家杰夫·库齐说，他是卡西尼任务科学执行委员会成员，也是旅行者号成像团队的资深成员。“那是一次令人震惊、令人兴奋且令人谦卑的经历。”但旅行者号使用了20世纪60年代的技术，并且没有停留多久。就像典型的美国游客一样，它们呼啸而过，拍了几张快照就走了。行星科学家们随后花了二十年时间梳理有限的数据集。
相比之下，卡西尼号将成为居民，至少绕土星轨道运行76圈。一些美国宇航局科学家认为，该探测器将在四年内每天传回平均一吉比特的数据，包括多达75万张照片。米切尔说：“这比我们从任何其他行星探测器那里获得的数据都要多。”预计这些结果令人兴奋，就像期待第一次约会一样——你可能从瞥一眼异性中获得了一些印象，但时间与亲近感会产生一切不同。“我们不知道卡西尼号会是什么样子，”库齐说。“我们真的没有先例。”
当卡西尼号于6月30日点燃火箭并进入土星轨道时，首要任务之一就是试图理解那些耀眼的土星环。该航天器的同名者，意大利天文学家乔瓦尼·卡西尼（Giovanni Cassini）在17世纪就推断出，土星环是由粒子组成的。后来的研究只增加了一些细节：土星环主要由水冰组成，直径约17.5万英里，但厚度只有几十码。旅行者1号和2号提供了土星环令人惊叹的景象，但并未能很好地解释两个关键问题：是什么控制了土星环的结构，为什么它们在那里？
“为什么”这个问题尤其令人困惑。计算机模拟表明，行星环并不持久。在大约5亿年内——这仅仅是太阳系年龄的十分之一多一点——土星环应该已经分散，或者至少已经退化成类似天王星那样暗淡、稀疏的环。如果我们现在正目睹土星壮观的景象，而行星环却在不断出现，那也并非令人惊讶，但它们并非如此。根据我们所知甚少的信息，土星环一定是罕见的、可能性极低的事件造成的。
关于土星环起源有两个理论——两者都可能，但勉强成立。一种设想是，一颗彗星或类似的物体撞击了土星的一颗卫星，将其炸成碎片。这些碎片随后进入轨道，离土星如此之近，以至于土星的引力阻止了粒子重新聚集成团，从而形成了环。第二种设想是，一颗巨大的冰状物体从太阳系极远处飞来，离土星太近，被引力撕裂。
要弄清楚哪个解释是正确的，就需要了解土星环中那10%非水冰成分的确切组成。为此，卡西尼号将分析从环状粒子上反射的辐射，寻找硅酸盐、碳、氨、有机物和其他物质。当航天器穿过土星环时，它还将利用其仪器来探测其成分。最终，这两种起源理论都不太可能。彗星以某种方式撞击卫星并将其摧毁的可能性微乎其微，但巨大的冰球足够靠近土星而被引力撕裂的可能性也同样渺茫。
这就引出了另一种可能性：土星环不像科学家们认为的那样寿命短暂。它们的稳定性取决于它们、周围的卫星、飞过的流星体以及土星之间复杂的作用。土星环包含了从尘埃颗粒到飞行山脉等各种大小的物体。无论大小，每个环状粒子都围绕着行星运行，不仅受到土星引力的支撑，也受到自身微小引力场的支撑。毋庸置疑，数万亿个相互拉扯的物体将会以复杂的方式相互作用。但总的来说，有一个主要的趋势——走向毁灭。
土星的内层卫星，在其外侧轨道运行，不断地从环状粒子中窃取动量。结果是，这些卫星螺旋式地向外扩散，而土星环最终落入土星。这就是科学家们认为它们不可能超过5亿年的主要原因。另一项观测也支持这一时间尺度。星际尘埃不断地落在土星环上，就像落在太阳系中的所有物体上一样。虽然星际尘埃是黑色的，但土星环是明亮的。如果土星环很老，它们就会变暗。
需要注意一些细节。在泰坦上生存并非易事。从土星系统的视角来看，太阳是一个相当昏暗的灯泡。因此，泰坦是一个非常寒冷的地方：地表温度平均为92开尔文，约-300华氏度。在这些温度下，水就像石头一样，只有从火山中才能流出。尽管泰坦有一半是水，但没有地方可以喝水。任何有抱负的生命体也将立即发现泰坦的大气中没有氧气——它都锁在水冰里。对于我们所知的生命来说，唯一的希望，而且希望极其渺茫，就是水与氨的混合物在地下深处可能足够温暖，能够液化。如果是这样，生命可能像地球海底热泉周围的顽强微生物一样，在地下勉强度日。
泰坦严寒的温度在某些方面使其对生命来说很严酷，但这也让像托比·欧文（Toby Owen）这样的人，一位夏威夷大学行星科学家和卡西尼号的合作研究员，觉得它更有趣。泰坦寒冷的气候使其处于一种保存状态，就像一个冰箱。如果一艘宇宙拖船将泰坦拖入内太阳系，太阳会迅速将水和几乎所有其他东西蒸发掉，只留下一个普通的岩石。然而，在土星附近，泰坦却能保留住它在45亿年太阳系生活中获得的大部分物质。可能建立了早期地球生命起始条件的有机反应，早已消失，被我们星球高速的化学和地质演化所抹去。在泰坦上，类似的反应可能仍然储存在深处。
旅行者号只提供了这些非凡可能性的令人垂涎的暗示。惠更斯号，一个由欧洲空间局制造的圆盘形探测器（并以发现泰坦的荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯命名），应该能纠正这种情况。与卡西尼号分离后，探测器将进入泰坦大气层，打开降落伞，漂浮到地表，在每一步都进行测量。
当惠更斯号搜寻有机化学物质时，它还将寻找能够解释泰坦为何拥有其独特大气的线索。氮气并非来自岩石；它必须以某种方式获得。一种可能性是，泰坦的氮气是由彗星或在形成过程中聚集在一起的冰质行星体沉积的。惠更斯号将采集大气中的甲烷样本，并测量轻氢和重氢的相对丰度，以产生一种化学指纹，使科学家能够将泰坦的成分与彗星进行比较。如果探测器恰好降落在冰上，它还将用一个小伸出管蒸发样本并测量那里的氢。
然而，惠更斯号探索中最戏剧性的阶段将不是关于化学物质。它将是关于探测器在长达两个半小时的降落伞飞行到地表过程中拍摄的照片。假设“托林”确实解释了泰坦的霾，那么大气层在距离地表不到20英里的地方应该会变得相当清晰，而惠更斯号的相机将能够捕捉到一些绝佳的全景图。泰坦确实是一个奇特的地方。那里可能有海洋、雨、河流和瀑布——但而不是水，泰坦上的主要液体可能是类似于液化天然气的物质。“我们预计会看到一些非凡的东西，”欧文说。“我们还没有真正看到过地表。我们可以从地球上看到它的一幅模糊的图像，但分辨率非常低。我们知道它并非都被同一种东西覆盖，但我们不知道那里有什么。”
行星科学家们已经创造了一个关于这些东西可能是什么的小型出版业。当太阳的紫外线照射到甲烷上时，它们会分解分子，形成乙烷，而乙烷是地球上天然气的一种成分。乙烷在-295ºF时凝固，在-128ºF时沸腾。泰坦的平均地表温度介于两者之间，因此研究人员预计会在地表发现液态乙烷的湖泊和海洋。那里的乙烷可能像地球上的水一样发挥作用。它可能会从地表蒸发，在大气中凝结形成云，然后降雨。在45亿年的时间里，泰坦可能积累了足够的乙烷来覆盖地表的大部分区域。去年，天文学家使用波多黎各阿雷西博望远镜向泰坦发送了无线电波束。他们收到了类似液体的湖泊或海洋表面的反射信号，就像阳光在湖面上的闪光。“我喜欢把泰坦想象成埃克森美孚公司的梦想之地。它是一个易燃的表面，但它不会爆炸，因为燃烧所需的氧气被锁在水冰里，”欧文说。
与它华丽的环和被霾遮蔽的卫星相比，土星本身似乎相当普通。然而，这颗宽7.5万英里的行星——太阳系第二大行星，质量是地球的95倍——本身也具有相当大的研究价值。
像木星一样，土星是一颗气态巨行星，一个相对较小的岩石球，周围环绕着广阔的氦、氢和各种氢化合物。在许多方面，它就像木星奇怪的小兄弟。土星的密度是木星的一半——甚至比水还要低，每立方英寸都如此。它释放的内部热量比木星少，但考虑到其较小的尺寸，科学家们不确定它为什么会散发任何热量。出人意料的是，土星的风暴比木星的更强大，其超音速急流也快得多。然而，由于厚厚的氨晶体霾遮蔽了木星上很容易看到的彩色条带，这颗行星看起来更单调。卡西尼号的科学家们希望研究这些差异能告诉我们巨行星是如何形成的，不同条件下的天气系统是如何运作的，以及其他恒星周围的行星可能是什么样子。
卡西尼号的四种仪器将直接探索环绕土星的磁场。如果我们的眼睛能看到无线电波，那么这个磁场，而不是土星环，将是土星最大、最独特的特征——一个泪滴状的、发出无线电的粒子包层，可能跨越一百万英里。在这里，土星也似乎是木星的缩小版，木星的磁场是其10倍。现已退役的伽利略号探测器揭示了木星磁层（行星周围磁场扰动空间区域）中令人惊叹的活动，这使科学模型感到困惑。“木星要复杂得多，”卡西尼号磁层团队负责人塔马斯·贡博西（Tamas Gombosi）说。“通过了解土星，也许我们就能理解木星。”这些答案甚至可能带来对地球磁场的更好理解。
卡西尼号的科学家们不断重复着类似的话。目前他们对土星的了解如此之少，以至于他们甚至不确定该问什么问题。到任务结束时，他们将拥有如此多的关于土星的信息，以至于他们会难以决定从哪里开始解答。美国宇航局艾姆斯研究中心的库齐说：“这一切都需要很长时间才能消化。这不会是旅行者号那样的三天奇迹。需要四年时间才能获得所有数据。理解数据可能需要四十年。”
卡西尼号任务最直接的结果可能是伽利略在1610年非常欣赏的：新的照片，终于以水晶般清晰度展示了土星。三十六年前，亚瑟·克拉克爵士将他的小说《2001：太空漫游》的场景设置在土星附近。电影版中，导演斯坦利·库布里克选择了木星。“土星对特效师来说是一个太大的挑战，”克拉克回忆说。他们甚至无法令人信服地猜测近距离看它会是什么样子。“爆米花观众根本不会相信，”克拉克说。
很快，他们就会相信了。
