華楓他們知道卡西尼-惠更斯號已在2004年7月1日到達土星，并且開始使用雷達測量土衛六表面地形的工作；卡西尼探測器在2004年11月26日飛躍到土衛六上方并且拍摂下很多高分辨率的土衛六表面圖像，展現了人眼從來沒有見過的明暗斑塊。
卡西尼號在2004年12月25日圣誕節釋放出了惠更斯號，惠更斯號在2005年1月14日進入土衛六大氣層進行詳細探測。惠更斯號探測器可在土衛六的大氣中燒毀前將相關數據發回。
2007年12月，卡西尼軌道探測器在靠近土衛六的第38次飛行中看到“安大略衛星湖”,但當時還不能確認其為液態。
隨著“安大略衛星湖”的突破性發現,專家認為,土衛六其他地區眾多與“安大略衛星湖”相似的“坑”也可能是湖泊。
2009年12月美國宇航局證實，土衛六“泰坦”地表上存在著液體。
“卡西尼號”太空探測器捕捉到由土衛六表面湖泊所反射的太陽光線。這一發現，證實了土衛六表面存在液體的說法。
科學家們由此認為，土衛六表面一些地區應該分布著許多大型湖泊狀盆地，就是在這些地區存在液體。 土衛六是土星最大的衛星，與地球有許多相似之處，也正是這一點引起了科學家們的極大興趣。近20年來，科學家們已經建立了關于土衛六的完整理論。
他們認為，土衛六表面存在液烴(NGLs) 海洋或湖泊。土衛六也被認為是太陽系中除地球之外唯一存在液體的行星狀天體。雖然“卡西尼號”傳回的數據并不能證明其表面存在巨大的海洋，但是它卻明顯透露了這樣一訊息，即土衛六兩極附近地區存在大型湖泊。
自從“卡西尼”號探測器在2004年開始環繞土衛六運轉后，科學家們一直在尋找“鏡面反射”現象。但是，土衛六的北半球一直處在冬季的黑暗之中，而科學家們認為北半球的湖泊比南半球多得多。
一直到2009年8月秋分時節，太陽的光線才逐漸開始直射到土衛六北半球的湖泊之上，此時也正是北半球春天的開始。
由于土衛六上空厚厚的大氣層的干擾，土衛六表面所反射的太陽光大多數都被遮蔽。“卡西尼號”探測器也是在偶然間拍下了這張罕見的照片。照片拍攝于2009年7月8日。
美國宇航局與歐洲航天局合作的“惠更斯”號探測器在土衛六泰坦的沼氣湖上漂流的景象。國家科學院7月6日公布的一份報告稱，地外生物可能比專家之前預測的要奇怪得多。科學家需要考慮擴充有關地外生命特征的名單，包括所謂的“怪異”生命體，它們可以在地球生命無法存活在地方茁壯成長。
NASA于2019年6月27日宣布，如果一切按計劃進行的話，“蜻蜓”號（Dragonfly）將于2026年發射，航行8年后在泰坦上著陸，之后探測器會在這5150公里寬的衛星上巡航至少2.5年，期間進行24次飛行，總航程約180公里。這次任務的目標就是詳細記錄泰坦的化學成分。一些科學家認為，泰坦上的碳氫化合物海洋可能孕育著其獨有的奇特生命形式。此外，由于泰坦的環境與早期地球的環境非常相似，所以此次任務的觀測結果還可能有助于了解地球生命出現的化學過程。
土衛六上存在豐富的有機化合物和氮等元素，與地球早期生命形成時的環境相似。土衛六上的氰和烴在一定情況下可生成腈，再被星球上的水冰水解，生成羧酸和胺類物質，而這兩者還可以生成具有重大意義的氨基酸。不過，土衛六上也存在制約生命存在的重要因素。一是溫度過低，二是尚未發現液態水的存在，三是土衛六沒有磁場保護，所以當它有時運行在土星的磁氣層外時，便直接暴露在太陽風之下，輻射可能使生命無法存在。
科學家稱，土星的衛星土衛六上巨大的碳氫化合物“冰山”湖可形成奇異生命形式。美國宇航局的研究人員表示，這一最新理論或許還能解釋來自這顆衛星上的巨大湖泊和海洋的奇怪讀數 。
土衛六表面的這個新湖泊覆蓋面積有1.3萬平方英里（3.4萬平方公里），它位于土衛六南極位置，具有部分湖泊特征。自從“卡西尼”探測器2004年抵達土星體系，科學家就致力于研究土衛六極地附近甲烷湖泊的特征，該研究證實了大型寒冷的衛星也存在著甲烷雨。
科學家指出，這種新湖泊只是淺薄的沼澤地，但是觀測數據顯示當暴風雨來到時，湖泊將形成足夠深、奔流向前的液體甲烷。前不久，美國約翰斯－霍普金斯大學應用物理實驗室的行星科學家伊麗莎白－圖特爾說：“土衛六表面的雷暴模型顯示一次暴風雨便可形成數十厘米深的甲烷雨水。”美國宇航局戈達德太空研究協會研究小組成員托尼－德爾杰尼奧（Tony
DelGenio）稱，這項研究是證實土衛六表面存在液態甲烷的最直接證據。
圖特爾說：“人們看到土衛六上空的這種云層非常類似于地球的云層，同時人們發現該區域表面有液體洪流的跡象。”德爾杰尼奧補充指出，“卡西尼”探測器科學家在此之前并未注意到這個新湖泊的形成，當時由于科學家們意識到該區域可能出現大雨，便投入更多的精力觀測出現大雨的特征，忽視了土衛六表面形成新湖泊的跡象。
科學家非常興奮這項研究發現揭示了土衛六的氣候特征變化，當2004年“卡西尼”探測器抵達土星體系，正值土衛六南半球處于夏季，北半球處于冬季，暴風云主要聚集形成于土衛六南極地區。季節正接近于春分，這兒不再有任何南半球暴風。德爾杰尼奧說：“暴風雨主要集中在中緯度地區，偶爾會出現在低緯度地區。”
2008年，“卡西尼”探測器已完成了4年勘測任務，計劃延長勘測時間至2010年。該探測器現運行狀況健康正常，任務操作員希望今后進一步延長其工作壽命。
圖特爾在約翰·霍普金斯大學實驗室的同事拉爾夫－羅雷茲（Ralph Lorenz）并未直接涉及這項研究，他指出像這樣的研究將有助于人們理想地球氣候變化的特點。他在一封電子郵件中寫道：“土衛六大氣層擁有大量的甲烷潮濕氣體，因此在度過漫長的干旱之后會出現強烈的暴風雨天氣。”
2014年10月31日，美國宇航局的卡西尼飛船在土星最大的衛星土衛六的高層大氣中發現了甲烷云層。
戈達德空間飛行中心卡西尼項目科學家，有關這一發現的研究論文第一作者卡里·安德森(Carrie Anderson)表示：“甲烷云層竟然能在土衛六大氣中如此高的高度上形成完全出乎意料。此前沒有人認為這是可能的。”
2012年7月2日消息，據美國宇航局網站報道，來自卡西尼探測器的最新數據顯示土星最大的衛星土衛六冰封的地下可能存在一個液態水層。有關這一發現的論文已經被發表在最新出版的《科學》雜志上。
論文第一作者，卡西尼項目組成員，意大利羅馬第一大學的盧西亞諾·列斯(Luciano Iess)說bai：“卡西尼探測到土衛六大幅度的潮汐起伏，這幾乎必然讓人得出其地表下方存在一個隱匿著的海洋的結論。”他說：“對于水的搜尋是太陽系探測行動的一項重要目標，而現在我們又鎖定了一個新的，可能富含水的天體目標。”
讓科學家們做出此項發現的是潮汐變形現象。土星的巨大引力會讓土衛六不斷發生拉升或擠壓變形。如果土衛六完全是由固態巖石組成的，那么來自土星的引力會造成其地表隆起，形成所謂的“固體潮”，其高度應為3英尺(約合1米)左右。然而卡西尼號的實測數據顯示這一隆起高達30英尺(約合10米)。這一數據暗示土衛六這顆星球并非完全由固態的巖石物質組成。
起先科學家們并無把握卡西尼號能否探測到由土星引力引起的潮汐隆起。然而卡西尼探測器竟然做到了，它在2006年2月27日至2011年2月18日期間先后6次近距離飛越土衛六，在此期間對土衛六的重力場進行精確測量。這些重力場數據，加上美國宇航局深空網(DSN)的協助，最終精確地給出了土衛六表面潮汐隆起的大小數值。
薩米·阿斯瑪(Sami A**ar)來自美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)，同時也是卡西尼項目組成員，她說：“我們進行了超高精度的測量工作，很幸運的是卡西尼號探測器和深空網天線之間保持了非常穩定的聯系。土衛六在土星引潮力下形成的潮汐隆起，相比其它巨行星，如木星的一些衛星上所形成的潮汐隆起而言并不顯著。然而在缺乏實地鉆探條件的情況下，重力場數據已經是我們能夠獲知土衛六內部結構的最好方法了。”
要形成實測值大小的潮汐隆起效應，土衛六地下的海洋層不必很厚很深。一個位于其堅硬的可變形外殼和內部巖石地幔層之間的液態水層就可以讓土衛六在圍繞土星周圍運行時呈現如觀察值所反映的那種隆起或壓縮現象。由于土衛六地表主要是由水冰組成的，這在外太陽系衛星中十分常見，科學家們相信土衛六的海洋主要成分也應該是液態水。
在地球上，來自月球和太陽的引力作用會在地表海洋上引起潮汐。在開闊的海域，這一隆起數值可達2英尺(約60厘米)。來自月球和太陽的引力也會造成地殼中形成固體潮，其幅度約為20英寸(50厘米)。
在土衛六表面下方存在液態海洋這一點本身并不能構成這里可能存在生命的結論。科學家們傾向于認為只有當液態水跟巖石之間存在直接接觸時生命才更有可能出現。而我們尚無法確認這一海洋的海底是否是由巖石構成的。
這一探測結果對于揭開土衛六上的甲烷持續補給之謎具有重要意義。在土衛六大氣中甲烷含量非常豐富，然而研究人員認為甲烷在大氣中應當是不穩定的，如果土衛六大氣能長期保持豐富的甲烷含量，那么就必定存在一個能持續供應甲烷物質的來源。
喬納森·魯寧(Jonathan Lunine)是美國康奈爾大學的卡西尼項目成員，他說：“土衛六地下存在液態水層的發現非常重要，因為我們希望能理解甲烷是如何被存儲在土衛六內部的，以及這些儲存的甲烷又是如何被釋放出來的。”他說：“這一點非常重要，因為土衛六所有的不同尋常之處都和豐富的甲烷含量有關，但是其大氣中的甲烷氣體早就應該在地質學意義上的短時間內被破壞了。”
設想一個液態水構成的地下海洋，其中充滿了氨，這些氨水沿著裂隙和孔隙上升到地表層，釋放出冰層中的甲烷氣體。與此同時這樣一個地下海洋也可以作為甲烷儲備池。
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