1997年10月，卡西尼-惠更斯号探测器开启了它宏伟的土星之旅，这次旅程长达七年之久。该探测器携带两个元件登陆：一个是卡西尼轨道飞行器，用来研究土星系和经过它的星球，另一个是惠更斯探测器，旨在探究神秘的土卫六。由于卡西尼轨道飞行器体积大，质量重，因此它不能直接飞行到土星。相反，大型空间探测器为了提高自身速度并最终到达这个环状星球，执行了多重重力辅助机动。
它的第一次邂逅是在金星，它在那里受到了引力增强，在那次登陆之后大概两年，卡西尼号短暂地经过了距离地球700英里的地方，这里的又一次引力增强使得空间探测器相对于太阳的速度增加到了每小时13000400英里。
在这次飞行中，卡西尼号经过了月球，它曾经在这里校正它的相机，并且拍下了这次旅程的第一张照片。尽管当时卡西尼号距离地球很近，就像它刚发射后不久一样，且这次成功的飞行使得空间探测器能够脱离太阳的引力拉力最终到达它的目的地，但在卡西尼号到达土星之前，它首先必须飞越太阳系最大的行星，才能远远超出行星带进一步加速。卡西尼号最终在2000年12月在距离大约为6200万英里远的地方与木星邂逅，并为这个气体巨星拍下了26000张照片，包括它的模糊的环以及它的众多卫星。
这张真彩色拼图由它们中的27张构成，之后是有史以来最为详细的木星全球彩色图像，它显示了木星的相互平行的红棕色和白色的环带、白色的椭圆风暴和巨大的著名风暴以及大红斑。通过对木星的更近距离的观看，则可以以惊人的视角看到伽利略卫星IO，这个图像拍摄于2001年的一月份，当时这个卫星正经过木星打旋的云顶前方，这稍微带有一些欺骗性，它使得火山卫星看起来很小且与木星相距很近，但实际上IO与这个气体巨星的距离长达217000479英里，并且比我们的月球稍微大一些。
在这次成功的飞行之后，卡西尼号的下一步和最终目的地是土星系，在超过四年的时间里卡西尼号穿过了这块黑暗空间。直到2004年2月，当空间探测器开始它对这个环状星球的最后探索时，卡西尼号的窄角相机在距离土星43.1万英里之外的地方，通过对土星的一系列的拍摄，最终生成了这个漂亮的土星图像。这个图像的对比度和颜色得到了增强以至于我们可以看到壮丽的地球更细的细节，比如在土星大气层巨大明亮的吊环的构造中中细微的颜色区别和它左上角那清晰可见的冰冷的土卫二。
并最终接近卡西尼号期间观察到土星大气中的巨大风暴，因为它们合并为一，并且发现了两个小卫星，将他们命名为麦斯尼和普林尼。但是卡西尼号第一次接近邂逅是随着暗月菲比的历史性飞跃。启用卡西尼号捕获一张高分辨率的天狼星图像，已经把创造这个难以置信的细节且像打着马赛克的神秘月球图像放在了一起，揭示了一个有着不同寻常的成长的多坑的黑暗世界，它被认为是水冰地域，是菲比卡西尼号在2004年六月成为第一艘宇宙飞船进入土星轨道周围后又一成功飞跃，曾在轨道周围绕了几个月。
卡西尼号传回上千张图像，包括一些泰坦难以置信的大的朦胧的照片，直到卡西尼号的任务，很少有人知道土星的最大卫星略大于别的汞和其他表面覆盖着的一个厚的多氮大气层，在2004年10月卡西尼号成功地浏览泰坦的大气层。在750英里内这些红外线附近的云的表面可以看见自东向西都覆盖着奇怪的特性，这些特性显然是其表面的条纹可能导致液体的流动。仅几个月后，就是2004年十二月，卡西尼号沉睡的乘客惠更斯探针成功地分离，开启它为期三周的泰坦表面之旅。
这个难以置信的录像收集了很多资料在147分钟的旅程中，惠更斯探针为了在2005年1月到达泰坦的表面。起初，惠更斯探针只捕获了笼罩着一层厚雾的橙褐色月亮，但随着雾慢慢清晰，在大约37英里以上泰坦那巨大的从未展现的特性慢慢地变得明显，探针看上去好像登陆在一个干燥的河床上，然而流动的液体在这里不是水而是甲烷，一些小卵石像岩石一样，可以看到它们洒落在月球那朦胧的景色周围和可见的小山丘般的高度的几米距离，探测期间历史性的泰坦之旅卡西尼号也邂逅了一个奇怪的名为皮特斯的卫星。
这张图片展示了一个深暗的、满是坑洞的冰卫星，它在赤道处隆起，巨大的古代撞击坑布满在一个被称为赤道的低且独特的凸起特征上。从卫星的中部可以看到山脊的延伸，山脊是如何形成的依旧是一个很神秘的事情，不过它有可能是一个古老的轨道环类物质倒塌到迷惑龙阿尼表面上而形成的。
再一次遇到了奇怪的卫星，但是这次通过虚假的颜色显露出了它的另外一面，想象你可以看到两区域之间复杂的过渡——一个像煤炭一样黑另一个像雪一样白。在2006年3月，卡西尼号在对土卫二近距离飞行时，它开始捕捉这颗寒冷卫星的罕见照片，卫星上喷射出的水冰喷洒到了太空中。卡西尼号直接对冰羽进行采样并检测到了一系列挥发性气体——水蒸气、二氧化碳和一氧化碳以及一些有机物质，这些冰羽表明在这个冰卫星厚厚的地壳之下有一个大规模的咸水海洋。
在土星轨道上运行了长达四年之后，卡西尼号完成了它的主要任务。宇宙飞船揭示了一个接一个的奇迹，增加了我们对木星的了解并揭开了它的神秘面纱。不过卡西尼号并没有结束，因为在2008年7月，它开始了多个任务中的第一项拓展，卡西尼号完成了对土卫六的一百次近距离飞行，并且拍摄了上千张卫星的朦胧照片，而之后的太空也可以通过探测器上载的雷达设备看到卫星密集云层下面的景象。
这些黑白略微朦胧的照片证实了土卫六是太阳系中最像地球的地方之一，但却非常的寒冷而且有着与地球完全不同的化学物质。最黑暗的地方是充满液态甲烷和乙烷的巨大湖泊，周围环绕着海岸线、丘陵和长长的排水沟。在2008年8月，卡西尼号又近距离遇到了冰的喷射，从这个高分辨率的照片中准确的辨认出了冰喷发的位置，照片显示的是卫星的南部区域，它给我们展示了冰壳内一个裂缝状似虎纹的极端地带。据说土星强烈的引力导致卫星伸缩产生摩擦，生成的热量和压力迫使地下的水通过厚厚的冰壳，液体在那里迅速结冰，在其运转的时间内接触冷空气的空间。
运行于土星轨道上的卡西尼号在这些年里研究了土星星环的大小、温度、物质组成、分布。与此同时它还向地球发回了几千张漂亮的照片，从中我们可以发现土卫三十五环绕着一个叫做吉勒环缝的星环缝隙。在靠近这个间隙的的位置我们可以看到波浪一样的形状，它们是由小卫星的引力作用而成的，这些卫星的引力同时也将星环撕裂为小颗粒。这些图片同时显示了从星环B边缘突起的结构和它投影出的长长的阴影。这些结构的比星环平面高出大概1.6英里，它们一般被认为是由一个大约一英里宽的物体快速经过，并带起星环上的微粒而形成的。卡西尼号也捕获过一些包含了土星环和土卫一的照片，有很多照片被用于还原它们的正常色彩。
在2007年11月有一张距离木星大约1.7万英里的地方拍摄的照片，在这张照片的最上面我们可以看到壮丽的土星环和土卫一的冰盖。在环绕着土星运行至2010年末的时候，卡西尼号有一次近距离观察一种罕见的大规模旋风的机会。肆虐于土星的大气层中，这次龙卷风持续了数月的时间，而且它还是有史以来由太空飞船记载的最大，最剧烈的一次风暴。这张照片在风暴于2011年形成过后十二周拍摄，那个时候这种气旋已经形成了长长的气流尾旋，环绕着这颗气态星球。像这样子的风暴一般被叫做大白点，它们一般每三十个地球年会发生一次。
在环绕着土星的这段时间里，卡西尼号飞船拍下了成千上万张关于这颗气态星球和它巨大的星环系统的照片，但是有一张是特别的。因为它不仅仅是来自木星中未被命名的一侧，在这张照片靠近中央的位置我们可以看到一个小蓝点——我们的地球和月球。在2013年七月的时候，超过323张由卡西尼号在不同滤镜下拍摄的照片被用于还原这张照片的真实色彩。
在这张照片中，我们的星球在大约898英里之外，月亮在地球的右侧，以小白点的形式呈现在画面上。这仅仅是我们人类史上第三次从太阳系边缘拍摄到关于地球的照片。在2013年，卡西尼号以目前最高的分辨率拍摄到了一张独特的的土星六边形风暴的照片。这张照片给予了我们从北极点观察的角度，从很近的位置仔细观察土星云层结构的运动，随着气流围绕中心高速旋转，这个大约有2万英里宽的奇异风暴足够吞没两个地球大小的行星并且仍有足够的剩余空间。
13年来卡西尼号探测器对这颗气态行星以及它的众多卫星进行了多次抵近探测，同时传回了超过45万张图片。它发现了六颗新卫星并且收集了超过635 GB的科学分析数据。在它绕行土星轨道294圈合计49亿英里的太空旅程中，非常出色地完成了多项探测任务，但是在2017年4月，由于卡西尼号燃料耗尽，这个成就非凡的空间探测器迎来了它持续了二十年之久的史诗级探测任务的伟大结局。
卡西尼号探测器对泰坦（土卫六）进行了最后一次飞越，并利用了这颗土星最大卫星的引力对运行轨道进行了调整，进入到能够对土星及土星环间的1200英里间隙进行探测的轨道。卡西尼探测器在历时5个多月多达22次的勇敢绕行过程中到达了之前从没有其他探测器到达过的地方，之后于2017年9月，在这个外星世界的上空，卡西尼探测任务终于进入了尾声。这个从近10亿英里外我们小小的蓝色行星上启程的不可思议的太空探测器一头扎进了土星浓厚的大气中，像一颗流星般燃烧并永远成为了这个气态巨行星的一部分。
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