1610年，當伽利略用自製的望遠鏡首次觀察土星時，他看到的是一顆有著模糊邊界的行星，當時他把這個模糊邊界解釋成土星的兩顆大衛星，一邊一顆。但兩年後，「衛星」消失不見了，再過兩年，它們又跑了出來。
伽利略感到非常困惑。他能給予的最好解釋是，土星好像有「翅膀」或者「手臂」，時而張開，時而收緊。而今天我們知道，他當年看到的其實是土星環。
2004年，美國卡西尼號探測器環繞土星軌道飛行，從各個角度對土星環進行了拍攝，從而讓我們知道了更多的細節。
大環裡面套小環
首先讓我們來看土星環的全景圖。土星環極其薄，其厚度只有10米;而面積又極其廣，直徑差不多有35萬千米。這是天文學家目前在宇宙中發現的最理想的二維平面。
但環又亮到足夠被我們發現，密度大到足以遮住星光。要想達到這個效果，意味著組成環的「顆粒」平均尺寸只有從高爾夫球到冰箱大小，而且必須密實到「顆粒」之間不超過人的一肩之隔。這些「顆粒」99.9 %是由冰塊組成的。它們始終處於相互碰撞之中，碰撞導致它們運動上的差異消失，鄰近的「顆粒」在軌道上以近乎一致的方向和速度運動。
近距離觀察，土星環又分成許多大環，按正式的說法，大環共有7個，根據離土星由近到遠，分別是D，C,B, A, F, G, E環。但這僅僅是人為的區分，卡西尼號發回來的照片顯示，在每一個大環裡還分布著成百甚至成千個小環，環環相套，整個土星環看起來像一張刻滿密紋的老式唱片。我們觀察時離得越近，環看起來就越複雜。
這些環產生的原因比較複雜。要知道，其實組成土星環的不僅只有尺寸不超過冰箱的「顆粒」，也有直徑大約幾百到幾千米的微型衛星，甚至還埋藏有直徑幾千到幾十千米的大衛星。有的環是當微型衛星運動時，把軌道上的「顆粒」橫掃一空造成的;有的是則因大衛星的引力把周圍的環「顆粒」吸引到自己身邊而產生的……
土星環還擁有自己的大氣，獨立於土星的大氣。組成其大氣的主要成分是氧氣和氫氣，這是環上的冰受太陽紫外線照射分解產生的。當然了，靠這種辦法製造出來的大氣是非常稀薄的，如果在整個環中均勻鋪開，大概還不到一個原子的厚度。
環上的神秘圖案
土星環上還有一種酷似螺旋槳結構的圖案，它們擁有一對明亮的槳葉，時隱時現。迄今在A環中找到的最大「螺旋槳」長約110千米。
「螺旋槳」也是埋藏在土星環中的微型衛星造成的。這些微型衛星一方面「清掃」自己軌道裡的「顆粒」，另一方面又沒有足夠強的引力把它們清掃乾淨，於是就留下了痕跡：在它的「槳葉」上，由於冰質「顆粒」密集，經陽光一照射，就顯得特別明亮。根據這一特點，科學家可以跟蹤這些微型衛星的蹤跡，他們發現這些衛星行蹤不定，改變軌道是家常便飯;他們推測，這可能與一些大「顆粒」的碰撞有關。
沿著環的徑向，土星探測器還觀察到一些神秘的輻狀條紋，就好像一個滾動的車輪上的輻條。這些條紋的出現好像跟土星上的季節變化有關(土星的1年相當於29.7個地球年)。
這些輻狀條紋是怎麼形成的?至今都沒搞清楚。有一種猜測認為，由於靜電排斥，土星環上空懸浮著一層微塵，在土星磁場作用下，它們和土星同步旋轉，光照著的地方就發亮，其它地方則發暗。
最令人吃驚的發現來自B環的外邊緣。在這兒科學家出乎意料地發現高達3.5千米的峰從土星環平面上長出來，就好像雨滴滴到水面濺起的形狀。科學家現在已經弄清楚，這是距離環面68000千米的一顆衛星造成的。衛星的引力把環裡的物質「拉扯」了出來，形成了一座座峰。當然，這些峰並不是堅實的山峰，而只不過是塵埃雲柱而已。
土星環最大的謎
當我們領略著環上一個個謎一般的圖案時，別忘了土星環最大的謎還是它自己：這麼一個美麗的環是怎麼來的?
土星環雖然面積遼闊，但其包含的總質量卻僅相當於一顆直徑400千米大小的衛星。所以過去有一種觀點認為，一顆直徑大約400千米的衛星在太空中迷了路，太靠近土星了，結果被土星巨大的引力撕成了碎片，形成了土星環。
但這裡有一個問題：這些環差不多是由90~95%的冰組成的，而原始的太陽系據認為是由等量的巖石和冰組成的;所以，如果土星環是由衛星瓦解而來，那麼巖石上哪兒去了?
於是一些科學家嘗試另一種解釋，認為土星環起源於一顆巨大的彗星與土星衛星的碰撞。彗星上具有很高比例的冰，可以完滿地解釋土星環物質的來源。
但又有科學家指出，海王星和天王星離彗星的起源地更近，而木星又有更大的引力，彗星與它們相撞的機會差不多是土星的10倍，土星似乎是最不可能跟這樣一顆彗星碰撞的。
2010年12月，一位美國女天文學家通過電腦模擬研究了45億年前土星剛從原始氣體和塵埃盤中誕生不久之後的情況。在之前的一項研究中她已經證明，從土星這種氣態巨行星周圍，會誕生出一顆顆衛星，這些衛星有的後來又會在行星引力作用下墜毀。這種誕生又墜毀的現象直到氣體和塵埃盤中的物質足夠稀薄了之後才停止。
她計算了假如土星現在最大的衛星——直徑約5000千米的泰坦——朝內遷移會發生什麼情況。計算表明，這顆衛星上大部分的冰在土星巨大潮汐力的作用下，首先融化然後又凝結成冰，均勻地把整顆衛星裹起來。當衛星以螺旋狀掉進土星時，這層冰質外殼會剝離衛星上巖石質的核心，形成幾乎由純冰組成的土星環。
因為土星環是由質量如此大的衛星毀滅而產生的，起初，環中物質比現在要密實好幾個量級，但是隨著一些新的冰質微型衛星從環中「析」出來，並在引力作用下分布於土星環內邊緣，土星環中的物質密度後來就大大降低了。
根據這個計算她推測，土星環也許就是早期一顆非常大的土星衛星墜落土星之後形成的。當然，這個墜毀過程也可能多次發生：也許土星原先有好多大衛星，因為不斷墜毀，死亡衛星拋卻的冰「外衣」形成了土星環。
這個新理論的吸引人之處在於不僅可以解釋土星環的形成，還可以同時解釋為何土星環內邊緣聚集著那麼多小質量的冰質衛星，——這也是土星的長期未解之謎。近期的另一項研究似乎也支持現在的土星環是從原先密實得多的土星環演化而來的這個結論。
到2017年，當卡西尼號完成了對土星環的質量測量之後，我們或許可以檢驗這個假說是否正確。
本文源自大科技〈科學之謎〉 雜誌文章 歡迎您關注大科技/span>