伽利略误把土星奇怪的标记当成了两颗卫星。其他早期天文学家认为这颗行星喷出巨大的蒸汽云，紧紧地附着在它周围；还有人认为土星呈蛋形，其表面的两个黑色斑点使其看起来像一个双柄杯。
正是克里斯蒂安·惠更斯首次意识到土星奇特的“附肢”实际上可能是一个环，他认为那是一条坚固、闪亮的带状物。然而，他对这个结论仍然很谨慎，他通过以字谜的形式发表他的想法来避免风险。在他1656年宣布发现土星卫星土卫六的小册子末尾，惠更斯添加了一条加密信息，解开后读作：“它被一个薄而平坦的环包围，无处接触，并倾斜于黄道面。”直到19世纪末，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦才正确地指出，一个固态环将在轨道引力作用下碎裂；他得出结论，这个环一定是由无数个独立的微小粒子组成的密集集合，它们都像行星绕太阳运行一样绕土星运行。
今天，广阔而闪耀的土星环继续让被其迷宫般的魅力所吸引的天文学家感到惊讶。例如，在过去的十年中，许多科学家被迫放弃了长期以来认为土星环像太阳系本身一样古老而持久的观念。现在看来，这些环不可能在45亿年前与行星一起形成。相反，它们是新近形成的，不超过1亿年。此外，创造它们的过程也正在播下它们毁灭的种子。这使得这些环成为一种转瞬即逝的奇观，将在接下来的1亿年内消失。土星在其生命周期中很可能已经孕育了几代环。
曾经被认为是独一无二的土星环，现在仅仅代表了一种宇宙物种中最壮观的标本，这种物种已知环绕着每一个巨行星——从木星弥散、尘土飞扬的光晕，到天王星狭窄、黑暗的环，再到海王星周围似乎勾勒出一系列虚线的半环。如此多不同系统的存在表明，行星环是巨行星生命周期中的一个正常组成部分。
“我对所有环系统都感兴趣，”美国宇航局艾姆斯研究中心的杰弗里·库齐说，他被土星环令人困惑的美丽所吸引。“我喜欢把它们看作一个家庭。每个人都是独立的个体，但由于它们之间的相似性，你可以通过了解其他成员来更好地理解每一个。”
为了解开环中隐藏的奥秘，天文学家目前正在用一切可用手段仔细审视这些行星伴侣。他们通过地面、机载和太空望远镜观察它们——既通过环反射太阳的光线，也通过环形行星经过明亮恒星背景时形成的剪影。一些人正计划未来与木星和土星进行航天器会合以进行近距离研究，而另一些人则满足于精神建模，例如编程超级计算机模拟环的行为，或者只用“一支铅笔连接一个大脑”来解释行星环的起源和复杂结构，一位理论家如此戏谑道。
目前，土星冰亮的环系统仍是所有环系统之主。虽然惠更斯曾认为它们是一个闪亮的整体，但在20年内，使用更先进望远镜的让-多米尼克·卡西尼发现了一条缝隙。他坚持认为，1675年存在两个环，中间有一条暗带，至今仍被称为卡西尼缝。即使现在，从远处看，土星环系统最显著的特征仍然是明亮的A环，更亮更宽的B环（位于卡西尼缝内侧），以及1850年首次发现的昏暗C环，它从B环内缘延伸到行星的云顶。最近，旅行者号和先锋号任务证实了另外三个外围环（E、G和F）和极其微弱的最内侧D环的存在。
事实上，仔细观察会发现至少有10万个独立的环带，每一个都与下一个略有不同，由行星及其众多卫星对环粒子丰富结构的拉扯而形成。想象一下这个系统就像一条旋转的超级高速公路，被分成无数狭窄的车道。借助现代雷达和航天器，环粒子被解析为带红色的雪球，大小从沙粒到巨大的石块不等。位于环系统之外的大型卫星在其中雕刻出特征，例如弯刀般锋利的边缘和扇形裙边。嵌入环中的微小卫星可能会使它们打结、编织、聚集并切割出切片。
大多数研究人员认为，行星环是碎裂的卫星——或是被捕获的彗星，在飞掠时被捕获，然后被相互竞争的引力撕成碎片。如果你把土星闪闪发光的环系统中所有散落的冰尘粒子都收集起来并压缩在一起，你就可以塑造成一颗大小与土星卫星土卫一相似的卫星——直径略小于250英里。这样一颗卫星可能在1亿年前就非常靠近这颗行星。随后，一颗彗星或另一个大型天体在碰撞路径上出现，将这颗卫星炸成了碎片。
这颗命运多舛的卫星位于土星的洛希极限内——以19世纪法国数学家爱德华·洛希命名，并定义为行星附近的一个区域，在该区域，相互竞争的引力足够强大，足以摧毁不稳定的卫星或阻止它们形成。在洛希极限内，破坏性潮汐力主导其他效应。潮汐力对轨道物体相对靠近行星的部分的拉力比对较远部分更强；因此，仅靠自身重力弱粘合在一起的卫星可能会字面意义上被撕成碎片。（并非所有轨道物体都必须服从潮汐力。例如，航天飞机在地球洛希极限内良好运行，但不会解体，因为它的组成部分由螺母、螺栓及其金属部件分子中强大的晶体内聚力固定在一起。）
在洛希极限之外，被粉碎的卫星的粒子可能会一点一点地重新组合，直到它们最终形成一颗“重生”的卫星。正是这样一系列灾难性事件可能降临到天王星的卫星米兰达身上，这或许可以解释为什么这颗特殊的卫星看起来像一个事故受害者，其零件被随意缝合在一起。一些天文学家说，米兰达显然形成，因撞击而解体，重新组合，又遭受后续撞击，再次自我整合，如此反复——也许在太阳系年轻时就发生了五六次。其他环研究人员有理由不认可这种情景，但就像环演化的所有方面一样，米兰达的真实历史仍然是一个需要有根据的推测的问题。
形成土星环的卫星离这颗巨大的行星太近，无法重新聚合。一旦它被撞成碎片，这些碎片——无论大小——都以碎片云的形式进入轨道。这些粒子最终在行星赤道周围形成了一个圆盘。与圆盘平面成一定角度的粒子轨道不可避免地交叉，导致频繁碰撞。只有相互基本平行的环道才能长期存在。即便如此，粒子也继续（并且持续）相互碰撞和推挤，将自己分散成直径不同的同心环，就像唱片上的凹槽一样。
如今，这个大圆盘宽度超过18万英里，但高度仅有不到60英尺，比煎饼还要扁平许多个数量级。环研究人员将其比作铺在足球场上的一张薄纸。
“你永远不可能通过撞碎一颗卫星在土星周围形成另一个如此巨大的行星环，”亚利桑那大学月球与行星实验室的卡罗琳·波尔科观察道。“唯一剩下足够大可以做到这一点的卫星是土卫一，而土卫一远在洛希极限之外。但在天王星和海王星，你仍然有充足的‘环机器’食物。如果你把海王星洛希极限内所有卫星都撞碎，你将得到一个与土星环系统差异不大的环系统。”这还没有发生，因为还没有任何东西撞上这些卫星之一，但未来没有任何事情可以排除这种遭遇的可能性。
“这些环不会那么明亮，”波尔科说，“因为外太阳系的物质往往更暗。”土星环是由主要成分为水冰的反射光照亮的。在太阳系外围，碳占主导；天王星环黑如煤烟。
当然，没有人能确定土星环是由一颗巨大的卫星形成的。它们也可能由三颗小型卫星撞击形成，从而产生了目前的三主环结构。甚至有可能这些环来自一颗大型彗星，它靠近土星时被潮汐力撕裂。
这种情况即使在今天也可能再次发生。灾难性事件绝不只属于太阳系遥远的过去。1992年中期，一颗名为舒梅克-列维彗星在与木星擦肩而过后分裂成至少十几块；它现在看起来像一串绕轨运行的珍珠。这些拉长的碎片预计将于明年七月在木星上撞击着陆，爆发出一场盛大的烟火。但如果彗星的路径稍有不同，它的碎片可能会留在木星轨道上，或许会发展成一个令人惊叹的、实质性的新环。一些研究人员预测，最小的粒子可能在十年内仍会形成一个弥散的环。
“今天在太阳系中发生的机制可以解释我们最初是如何拥有行星环的，”波尔科指出。“这是支持行星环可能很年轻的观点之一。”
土星环耀眼的光芒是其年轻的另一个令人信服的证据。尽管土星环在水冰的映衬下闪闪发光，因此本质上比围绕天王星的煤黑色巨石更亮，但它们看起来仍然异常新，几乎就像一双全新的网球鞋。这让天文学家感到奇怪。
库齐说：“我们认为，如果这些光环非常古老，它们会显得暗得多。”“在计算机模型中，我们从干净的水冰环开始，然后用彗星的脏物将其弄脏——就像纽约下雪一样。”从行星时间尺度来看，这种黑暗的、计算机生成的彗星尘埃很快就会散布在冰粒中，使模拟的环变成与土星环相同的颜色——大约1亿年。
库齐目前的研究重点是解释土星环中不同深浅的红色。大多数“彗星残骸”——最终弄脏太空中几乎所有东西的普遍碎片——都是微红色的。科学家们认为它要么是有机物质，要么是含铁矿物，或者是两者的某种组合。在地球大气层中，散落的太空尘埃导致流星，或称“流星雨”。土星可能遭受更猛烈的撞击，因为这颗行星更大的质量吸引了更多的物质。而这些环构成了可以想象到的最宏大的集尘器。
无论这种微红色尘埃的性质如何，库齐都能通过流星体撞击效应来解释色调的深浅。“一旦尘埃进入环中，它就会留在那里并与其他物质混合，”他说，这一过程他称之为污染输运。黑暗的尘埃分布在宽广但薄的环平面上，永远不会从视线中消失。随着时间的推移，环只会变得越来越暗淡。在最新一代的计算机模型中，就像土星环的实际图像一样，颜色在整个环带中广泛加深。物质最少的区域——缝隙，如卡西尼缝，以及稀薄的区域，如C环——是尘埃最少的地方，因此往往会最快变暗。
除了引起颜色变化，碎屑雨还可能给环系统增加足够的质量，使其在达到高龄之前就崩溃。降落在环粒子中的新物质缺乏已在轨道上运行的粒子的角动量；由于系统中角动量的总量始终保持不变，其他粒子必须下沉到较低的轨道，加速以进行补偿（就像旋转的滑冰运动员收回手臂时速度会增加一样）。其结果是环粒子缓慢但不可避免地开始从天空中坠落。然而，既然我们仍然看到这些环，我们就可以假设它们太年轻，还没有积累过量的额外质量。
“如果我们对流星体撞击频率的估计是正确的，”库齐说，“那么很难理解这些环是如何超过1亿年历史的。”这项估计将在美国宇航局和欧洲空间局下一次外行星任务（计划于1997年发射，2004年抵达土星）抵达时进行核实。这艘双体飞船，以惠更斯和卡西尼命名，将测量落入流星体物质的总量和单个粒子大小，以及其速度和电荷。一旦惠更斯分离并在土卫六上着陆，卡西尼号将在土星的环和卫星之间航行至少四年；该飞船预计将发回约50万张图像，描绘土星系统的清晰几何结构，并可能揭示塑造它的力量。
对行星环的特写镜头无疑将有助于继续深入研究其复杂、盘旋的结构。土星拥有辫状环、扇形环、宽环和窄环——甚至还有未能完全环绕行星的局部环。任何区分其他环系统的特征——例如天王星细环的完美边缘，或海王星未完成的外观——都可以在土星宽阔的环平面中找到，甚至更多。
领导卡西尼图像采集工作的波尔科一点也不会惊讶于偶然发现一些新的卫星，它们太小或者太嵌入环系统以至于无法从远处探测到。土星环不仅是前卫星（或彗星）的残骸；它们的一些奇特结构也归功于现有卫星的作用——上次计数至少有18颗——它们在环粒子周围和之间运行。明显的环特征，例如清晰的边缘和黑暗的卡西尼缝，业余爱好者的小型望远镜就能轻易看到，看起来像是被一只外来的手雕刻出来的。从某种意义上说，它们就是这样。
“你不会指望一群轨道粒子能创造出如此锋利的特征，”加州理工学院理论物理学家彼得·戈德雷奇说，他解释了他和斯科特·特雷梅因（现任多伦多加拿大理论天体物理研究所所长）为何最初将环的边缘视为动力学中的一个棘手问题。必须有某种东西在限制粒子，阻止它们遵循自然倾向扩散开来。
物理学家们早就怀疑，那个“某种东西”身份的一个重要线索在于卡西尼缝和土卫一的各自位置，土卫一在环外约6万英里处运行。由于距离土星更远，这颗卫星的运行速度比环粒子慢。正如开普勒在其行星运动定律中所示，轨道速度取决于距离，离得越近的物体运行得越快。因此，在土星，环粒子比外围卫星运行得更快。而卡西尼缝附近的环粒子运行速度几乎正好是土卫一的两倍。每当这颗卫星绕行星运行一次，这些粒子就会运行两圈。它们在每次绕行中都会两次直接受到这颗卫星的影响——一次是土卫一完成其指定行程的一半时，另一次是在完成时。在这两点上，土卫一对粒子的拉力比平时更强。由于这种拉力总是在轨道上的相同两点发生，它会随着时间积累力量——就像荡秋千的孩子如果总是在秋千弧线上的同一个位置被推，就会荡得更高更快一样。即使在正确位置非常轻微的推动，随着时间的推移，也可以产生巨大的动量，足以将孩子推到最高点。同样，土卫一已经将粒子推出了卡西尼缝。
粒子和土卫一的轨道被认为是2:1共振。土星系统中存在大量其他整数谐波的例子，同样也创造了独特的环特征。例如，当航天器飞越揭示A环有一个扇形外边缘，像一朵风格化的天体花朵时，波尔科能够解释这种形状是环粒子和两颗附近卫星之间共振作用的结果。这两颗卫星，雅努斯和厄庇墨透斯，共享大致相同的轨道，并保持大致相同的速度。然而，环粒子以7:6的共振定期超越这些卫星。A环中的粒子每当卫星运行六圈，它们就围绕土星运行七圈。周期性相遇的复杂模式在A环边缘雕刻出七个圆润的瓣。B环由相同的机制雕刻而成，有两个瓣。
戈德雷奇说：“其他研究人员曾考虑过卫星与单个粒子之间的相互作用，但这些影响太小，不足以打开缝隙或维持边缘。”戈德雷奇和特雷梅因意识到，卫星正在与大量粒子一起产生共振，这些粒子像海浪中的水分子一样流体地运动。粒子通过它们自身的相互引力吸引而结合在一起，它们不仅会感受到卫星的节律性拉动，还会将扰动通过环平面向外传播，从共振轨道向环的外缘传播。
事实上，戈德雷奇和特雷梅因预测，如果他们能靠近土星环，他们会实际看到这些扰动以螺旋压缩波和稀疏波的形式在环中移动，这与声波并无不同。这一大胆的预测得到了证实，当旅行者2号在A环中拍摄到30多道螺旋密度波时，它们看起来像旋转风车交替出现的明暗条纹。这些波从共振轨道开始，然后通过环的厚薄区域螺旋向外传播；有些消散了，有些则撞击在扇形边缘上。“土星A环中大部分结构是由这些密度波产生的，”戈德雷奇说。
这种模式与银河系的螺旋臂有着惊人的相似之处，这并非偶然。这些环可能采用相同的蓝图建造，尽管在我们的星系中，引力拉扯的来源仍然未知。行星环也为45亿年前围绕太阳旋转并凝结成行星的原行星盘提供了一个方便的模型；当前的行星轨道将对应于过去时代的密度集中。甚至像中子星和白矮星周围观测到的吸积盘，以及被认为环绕类星体和黑洞的理论盘，也可能最终遵循这种相同的土星模型。
还有其他复杂的共振效应是由倾斜轨道的卫星产生的——也就是说，这些轨道在环平面上方和下方摆动，而不是围绕环平面描绘一个更大的同心圆。这些卫星不仅侧向拉动粒子，还向上和向下作用。结果，粒子被鞭打成“螺旋弯曲波”，模仿瓦楞纸板中的三维脊。
环中的其他特征需要不同的解释。例如，在一次航天器飞掠期间发现的土星两颗微小卫星，它们分别在土星细小、外围的F环两侧运行。这些新发现的卫星通过将原本会散开的粒子限制在它们之间的狭窄地带，从而界定了环的形状——就像一对叫嚷的狗将一群羊聚在一起一样。这两颗卫星的名字是潘多拉和普罗米修斯，但它们更常被称为“牧羊犬卫星”。戈德雷奇和波尔科表明，另外两颗牧羊犬卫星，科迪莉亚和奥菲莉亚，为天王星最外层环充当“环形守卫者”——用波尔科的话说，它“看起来就像有人拿着画笔，小心翼翼地在线条之间涂色。”
这种“牧羊”机制涉及引力以及卫星和环粒子之间复杂的角动量交换。简而言之，它的工作原理是这样的：环外侧的牧羊卫星移动速度比环粒子慢，而环粒子又被内侧快速移动的卫星超越。外侧卫星在粒子飞驰而过时拉扯它们，在环中产生一个隆起；但由于粒子移动得更快，隆起很快就超前于卫星，并将其向前拉。这种速度的增加提升了卫星的角动量，将其推入更高的轨道。由于环粒子必须损失与卫星获得的角动量一样多的动量（以守恒角动量），它们会落入较低的轨道。如果你能从环平面上方观察这个动作，会发现外侧卫星和粒子环似乎相互排斥。同时，在内侧轨道上，卫星的引力在环中形成一个隆起，该隆起滞后于卫星。隆起使卫星减速，剥夺了它的角动量。相同的动量被环粒子获得，它们通过跳入更高轨道来响应。被内侧卫星和外侧卫星夹在中间，粒子被集中在一个狭窄的带状区域中。
1989年，旅行者2号探测到海王星环时，它们看起来像是散乱的弧线，像不完全环绕行星的断断续续的线。然而，更仔细的调查显示，这些弧线是相当稀薄的环中非常密集的区域，它们确实完整地环绕着海王星。波尔科推测，卫星伽拉忒亚的轨道倾斜，与环粒子的轨道略有倾斜，可能会将它们拉成团块，从而形成从远处看起来像是孤立环弧的丰富星团。
木星的环更显短暂——如此虚无缥缈，以至于许多环研究者蔑视这个系统，称其为“浮尘”，稀薄得不值一提。这颗最大的行星似乎拥有所有行星中最脆弱的环系统。随着时间的推移，与太空碎片的遭遇已经将环粒子磨成了粉末，除非近距离仔细观察，否则几乎无法探测到。木星纤薄的主尘环内侧是厚厚的、云状的光晕，一直延伸到行星的一半，外侧是约瑟夫·伯恩斯（康奈尔大学）发现并命名的微弱“薄纱环”。
伯恩斯认为，就像香水一样，这种微弱的环，微量的物质也能引起高度的兴趣。事实上，其物质含量如此之少，以至于引力在木星环动力学中似乎扮演着相当小的角色。相反，这些环似乎是围绕电磁效应组织的：微小的尘埃颗粒在木星巨大磁场内产生的电力的作用下翩翩起舞。值得注意的是，没有任何环特征可以归因于引力共振或牧羊效应。尽管木星拥有大量的卫星群，但它们似乎无法控制薄纱环。
伯恩斯认为，在这些尘埃的某个地方，埋藏着孕育该系统的卫星残骸。如果这些环完全由尘埃构成，没有更大的天体隐藏其中，那么这些尘埃会在不到三年内迅速消散。有什么东西一直在补充这些尘埃粒子，最有可能的候选者是不断受到流星体轰击的小卫星。伯恩斯将这些假设的天体命名为“mooms”，因为它们既是卫星（moon），又是环的母亲或母体（mom）。这个概念普遍被其他环研究人员接受，尽管这个名字并没有流行起来。
在这个再生过程中，随着正在崩塌的残余卫星不断补充日益衰弱的行星环，木星系统只展现出与其他系统唯一的家族相似性。无论新旧，所有的行星环都由古老的物质组成，这些物质在太阳系剧烈的活动中不断循环利用。
“环系统有点像山坡上的罂粟花，”库齐沉思道。“你明年回到同一个地方，你仍然会看到山坡上的罂粟花，但它们已经不是你去年看到的那些了。同样，行星的环可能也不是一百万年前——或一千万年、一亿年前——的那些环。它们只是最近一次的化身。这个过程一直在持续。”
