旅行者2号发现了土星的13颗新卫星，使土星的卫星增至23颗。
它考察了其中的9颗卫星，发现土卫三表面有一座大的环形山，直径为400千米，底部向上隆起而呈圆顶状，还有一条巨大的裂缝，环绕这颗卫星几乎达34周；土卫八的一个半球为暗黑，另一个半球则十分明亮；土卫九的自转周期只有9~10小时，与它的公转周期550天相去甚远；土卫六的实际直径为4828千米，而不是原来认为的5800千米，是太阳系行星中的第二大卫星，它有黑暗寒冷的表面、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，这是人类了解生命起源和各种化学反应的理想之处。
为了进一步探测土星和揭开土卫六的生命之谜，美国与欧空局联合研制了价值连城的卡西尼号土星探测器。1997年10月15日这个探测器发射升空，开始为期7年的漫长旅途。它预计2004年飞临附近空间，开展长达4年的环土星就近探测，并首次实现在土星的最大卫星土卫六上着陆，进行实地考察。
卡西尼号直径约2.7米，总重达6吨，由轨道探测器和着陆器组成。其轨道探测器取名卡西尼号，装有12种探测仪器；着陆器取名惠更斯号，装有6台科学仪器。为了加快奔向土星的飞行速度，卡西尼号于1998年4月飞掠金星，获得第一次加速。随后它绕太阳公转一周，于1999年6月再次飞掠金星，获得第二次加速。同年8月，它在地球附近飞过，获得第三次加速。
之后，卡西尼号探测器将于2000年12月飞掠木星，得到最后一次加速。它定于2004年7月飞抵目的地与土星会合，进入环绕土星运行的轨道。同年11月，惠更斯号着陆器将脱离卡西尼号探测器飞向土卫六，穿过其云层，在土卫六上软着陆，然后将探测到的数据通过环土飞行的卡西尼号轨道器传回地球。
卡西尼号进入环土星轨道后的任务是：环土星飞行74圈，就地考察土星大气、大气环流动态，并多次飞临土星的多颗卫星，其中飞掠土卫六近旁45次，用雷达透过其云气层绘制土卫六表面结构图，预计可发回近距离探测土星、土星环和土卫家族的图像50万帧。
惠更斯号将成为第一个在一颗大行星的卫星上着陆的探测器。它将在2.5小时的降落过程中，用所带仪器分析土卫六的大气成分，测量风速和探测大气层内的悬浮粒子，并在着陆后维持工作状态1小时，揭示土卫六上是否有水冰冻结的海洋和是否存在某种形态的生命。它所收集到的数据和拍摄的图像通过卡西尼号探测器传回地球。
张晓辰他们知道卡西尼-惠更斯号已在2004年7月1日到达土星，并且开始使用雷达测量土卫六表面地形的工作；卡西尼探测器在2004年11月26日飞跃到土卫六上方并且拍摂下很多高分辨率的土卫六表面图像，展现了人眼从来没有见过的明暗斑块。
卡西尼号在2004年12月25日圣诞节释放出了惠更斯号，惠更斯号在2005年1月14日进入土卫六大气层进行详细探测。惠更斯号探测器可在土卫六的大气中烧毁前将相关数据发回。
2007年12月，卡西尼轨道探测器在靠近土卫六的第38次飞行中看到“安大略卫星湖”，但当时还不能确认其为液态。
随着“安大略卫星湖”的突破性发现，专家认为，土卫六其他地区众多与“安大略卫星湖”相似的“坑”也可能是湖泊。
2009年12月美国宇航局证实，土卫六“泰坦”地表上存在着液体。
“卡西尼号”太空探测器捕捉到由土卫六表面湖泊所反射的太阳光线。这一发现，证实了土卫六表面存在液体的说法。
科学家们由此认为，土卫六表面一些地区应该分布着许多大型湖泊状盆地，就是在这些地区存在液体。土卫六是土星最大的卫星，与地球有许多相似之处，也正是这一点引起了科学家们的极大兴趣。近20年来，科学家们已经建立了关于土卫六的完整理论。
他们认为，土卫六表面存在液烃(NGLs)海洋或湖泊。土卫六也被认为是太阳系中除地球之外唯一存在液体的行星状天体。虽然“卡西尼号”传回的数据并不能证明其表面存在巨大的海洋，但是它却明显透露了这样一讯息，即土卫六两极附近地区存在大型湖泊。
自从“卡西尼”号探测器在2004年开始环绕土卫六运转后，科学家们一直在寻找“镜面反射”现象。但是，土卫六的北半球一直处在冬季的黑暗之中，而科学家们认为北半球的湖泊比南半球多得多。
一直到2009年8月秋分时节，太阳的光线才逐渐开始直射到土卫六北半球的湖泊之上，此时也正是北半球春天的开始。
由于土卫六上空厚厚的大气层的干扰，土卫六表面所反射的太阳光大多数都被遮蔽。“卡西尼号”探测器也是在偶然间拍下了这张罕见的照片。照片拍摄于2009年7月8日。
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