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。
美国宇航局与欧洲航天局合作的“惠更斯”号探测器在土卫六泰坦的沼气湖上漂流的景象。国家科学院7月6日公布的一份报告称，地外生物可能比专家之前预测的要奇怪得多。科学家需要考虑扩充有关地外生命特征的名单，包括所谓的“怪异”生命体，它们可以在地球生命无法存活在地方茁壮成长。
NASA于2019年6月27日宣布，如果一切按计划进行的话，“蜻蜓”号（Dragonfly）将于2026年发射，航行8年后在泰坦上着陆，之后探测器会在这5150公里宽的卫星上巡航至少2.5年，期间进行24次飞行，总航程约180公里。这次任务的目标就是详细记录泰坦的化学成分。一些科学家认为，泰坦上的碳氢化合物海洋可能孕育着其独有的奇特生命形式。此外，由于泰坦的环境与早期地球的环境非常相似，所以此次任务的观测结果还可能有助于了解地球生命出现的化学过程。
土卫六上存在丰富的有机化合物和氮等元素，与地球早期生命形成时的环境相似。土卫六上的氰和烃在一定情况下可生成腈，再被星球上的水冰水解，生成羧酸和胺类物质，而这两者还可以生成具有重大意义的氨基酸。不过，土卫六上也存在制约生命存在的重要因素。一是温度过低，二是尚未发现液态水的存在，三是土卫六没有磁场保护，所以当它有时运行在土星的磁气层外时，便直接暴露在太阳风之下，辐射可能使生命无法存在。
科学家称，土星的卫星土卫六上巨大的碳氢化合物“冰山”湖可形成奇异生命形式。美国宇航局的研究人员表示，这一最新理论或许还能解释来自这颗卫星上的巨大湖泊和海洋的奇怪读数。
土卫六表面的这个新湖泊覆盖面积有1.3万平方英里（3.4万平方公里），它位于土卫六南极位置，具有部分湖泊特征。自从“卡西尼”探测器2004年抵达土星体系，科学家就致力于研究土卫六极地附近甲烷湖泊的特征，该研究证实了大型寒冷的卫星也存在着甲烷雨。
科学家指出，这种新湖泊只是浅薄的沼泽地，但是观测数据显示当暴风雨来到时，湖泊将形成足够深、奔流向前的液体甲烷。前不久，美国约翰斯－霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家伊丽莎白－图特尔说：“土卫六表面的雷暴模型显示一次暴风雨便可形成数十厘米深的甲烷雨水。”美国宇航局戈达德太空研究协会研究小组成员托尼－德尔杰尼奥（Tony
DelGenio）称，这项研究是证实土卫六表面存在液态甲烷的最直接证据。
图特尔说：“人们看到土卫六上空的这种云层非常类似于地球的云层，同时人们发现该区域表面有液体洪流的迹象。”德尔杰尼奥补充指出，“卡西尼”探测器科学家在此之前并未注意到这个新湖泊的形成，当时由于科学家们意识到该区域可能出现大雨，便投入更多的精力观测出现大雨的特征，忽视了土卫六表面形成新湖泊的迹象。
科学家非常兴奋这项研究发现揭示了土卫六的气候特征变化，当2004年“卡西尼”探测器抵达土星体系，正值土卫六南半球处于夏季，北半球处于冬季，暴风云主要聚集形成于土卫六南极地区。季节正接近于春分，这儿不再有任何南半球暴风。德尔杰尼奥说：“暴风雨主要集中在中纬度地区，偶尔会出现在低纬度地区。”
2008年，“卡西尼”探测器已完成了4年勘测任务，计划延长勘测时间至2010年。该探测器现运行状况健康正常，任务操作员希望今后进一步延长其工作寿命。
图特尔在约翰·霍普金斯大学实验室的同事拉尔夫－罗雷兹（RalphLorenz）并未直接涉及这项研究，他指出像这样的研究将有助于人们理想地球气候变化的特点。他在一封电子邮件中写道：“土卫六大气层拥有大量的甲烷潮湿气体，因此在度过漫长的干旱之后会出现强烈的暴风雨天气。”
2014年10月31日，美国宇航局的卡西尼飞船在土星最大的卫星土卫六的高层大气中发现了甲烷云层。
戈达德空间飞行中心卡西尼项目科学家，有关这一发现的研究论文第一作者卡里·安德森(CarrieAnderson)表示：“甲烷云层竟然能在土卫六大气中如此高的高度上形成完全出乎意料。此前没有人认为这是可能的。”
2012年7月2日消息，据美国宇航局网站报道，来自卡西尼探测器的最新数据显示土星最大的卫星土卫六冰封的地下可能存在一个液态水层。有关这一发现的论文已经被发表在最新出版的《科学》杂志上。妙书斋
论文第一作者，卡西尼项目组成员，意大利罗马第一大学的卢西亚诺·列斯(LucianoIess)说bai：“卡西尼探测到土卫六大幅度的潮汐起伏，这几乎必然让人得出其地表下方存在一个隐匿着的海洋的结论。”他说：“对于水的搜寻是太阳系探测行动的一项重要目标，而现在我们又锁定了一个新的，可能富含水的天体目标。”
让科学家们做出此项发现的是潮汐变形现象。土星的巨大引力会让土卫六不断发生拉升或挤压变形。如果土卫六完全是由固态岩石组成的，那么来自土星的引力会造成其地表隆起，形成所谓的“固体潮”，其高度应为3英尺(约合1米)左右。然而卡西尼号的实测数据显示这一隆起高达30英尺(约合10米)。这一数据暗示土卫六这颗星球并非完全由固态的岩石物质组成。
起先科学家们并无把握卡西尼号能否探测到由土星引力引起的潮汐隆起。然而卡西尼探测器竟然做到了，它在2006年2月27日至2011年2月18日期间先后6次近距离飞越土卫六，在此期间对土卫六的重力场进行精确测量。这些重力场数据，加上美国宇航局深空网(DSN)的协助，最终精确地给出了土卫六表面潮汐隆起的大小数值。
萨米·阿斯玛(SamiA**ar)来自美国宇航局喷气推进实验室(JPL)，同时也是卡西尼项目组成员，她说：“我们进行了超高精度的测量工作，很幸运的是卡西尼号探测器和深空网天线之间保持了非常稳定的联系。土卫六在土星引潮力下形成的潮汐隆起，相比其它巨行星，如木星的一些卫星上所形成的潮汐隆起而言并不显著。然而在缺乏实地钻探条件的情况下，重力场数据已经是我们能够获知土卫六内部结构的最好方法了。”
要形成实测值大小的潮汐隆起效应，土卫六地下的海洋层不必很厚很深。一个位于其坚硬的可变形外壳和内部岩石地幔层之间的液态水层就可以让土卫六在围绕土星周围运行时呈现如观察值所反映的那种隆起或压缩现象。由于土卫六地表主要是由水冰组成的，这在外太阳系卫星中十分常见，科学家们相信土卫六的海洋主要成分也应该是液态水。
在地球上，来自月球和太阳的引力作用会在地表海洋上引起潮汐。在开阔的海域，这一隆起数值可达2英尺(约60厘米)。来自月球和太阳的引力也会造成地壳中形成固体潮，其幅度约为20英寸(50厘米)。
在土卫六表面下方存在液态海洋这一点本身并不能构成这里可能存在生命的结论。科学家们倾向于认为只有当液态水跟岩石之间存在直接接触时生命才更有可能出现。而我们尚无法确认这一海洋的海底是否是由岩石构成的。
这一探测结果对于揭开土卫六上的甲烷持续补给之谜具有重要意义。在土卫六大气中甲烷含量非常丰富，然而研究人员认为甲烷在大气中应当是不稳定的，如果土卫六大气能长期保持丰富的甲烷含量，那么就必定存在一个能持续供应甲烷物质的来源。
乔纳森·鲁宁(JonathanLunine)是美国康奈尔大学的卡西尼项目成员，他说：“土卫六地下存在液态水层的发现非常重要，因为我们希望能理解甲烷是如何被存储在土卫六内部的，以及这些储存的甲烷又是如何被释放出来的。”他说：“这一点非常重要，因为土卫六所有的不同寻常之处都和丰富的甲烷含量有关，但是其大气中的甲烷气体早就应该在地质学意义上的短时间内被破坏了。”
设想一个液态水构成的地下海洋，其中充满了氨，这些氨水沿着裂隙和孔隙上升到地表层，释放出冰层中的甲烷气体。与此同时这样一个地下海洋也可以作为甲烷储备池。
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