1997年10月，卡西尼-惠更斯号宇宙飞船为了研究土星系统和登录土卫六，开始了由两个元素组成的土星探索之旅：卡西尼轨道器和惠更斯探测器。
由于距离遥远，卡西尼号在1997年成功升空后前后进行了四次重力助推，先是两次飞掠金星，之后再一次飞掠地球，最后又飞掠木星，才最终获得了足够的加速度。
2000年12月，卡西尼号飞掠木星期间大约拍摄了26000张图像，其中包括著名的大红斑和许多卫星。
经过四年的孤独航行。2004年2月卡西尼号穿越黑暗的太空终于到达土星环世界，并开始了对环形世界的研究。
这张图片增强了对比度和颜色，因此我们可以看到宏伟土星的更多细节，显示了土星大气层颜色的细微差异，巨大的明亮环和冰冷的土卫二（左上角可见的小亮点）。卡西尼号接近土星时，观测到土星大气层中的巨大风暴。发现了两个名为米塞尼和佩里尼的小卫星。
2004年7月，卡西尼号成为有史以来第一架环绕土星飞行的航天器。几个月以来，卡西尼号向地球传回成千上万张图像，其中包括朦胧卫星土卫六-泰坦的照片。土卫六表面覆盖着浓厚的富氮大气。
几个月后的2004年12月，卡西尼号和惠更斯号成功分离，开始探测泰坦表面之旅。随着烟雾散开惠更斯号降落在干燥的河床上，但是这里流动的液体不是水，而是甲烷。河床上有许多鹅卵石，远处可见几米高的小山丘。泰坦星与生命出现之前的地球非常相似，不仅会下甲烷雨，还存在着侵蚀和冲刷形成的沟渠和干涸的河床等等。进一步探测显示，泰坦星的大气中存在着大量的各类碳氢化合物和其他物质，就化学成分而言，泰坦星的大气可以说是在人类已知范围内，整个太阳系中最复杂的了。
2008年卡西尼号第一次飞跃泰坦星,发现北半球上存在直径超过100公里的大型碳氢化合物湖泊。这是人类历史上首次在其他星球上发现湖泊，并且从2014年卡西尼号发回的泰坦星光谱数据来看，最黑暗的地方是充满甲烷和乙烷的巨大湖泊。这与45亿年前的地球极为相似，所以泰坦星很有可能正在缓慢的创造着生命。
2006年3月，卡西尼号意外发现了土卫二南极附近正在喷射的“冰火山”，正是这一发现使土卫二成为了继地球、海卫一和木卫一之后，太阳系中第四颗被证实存在着火山活动的天体。卡西尼号还采样了一些冰羽样品，它主要由水蒸气，二氧化碳，一氧化碳等组成。
2007年9月，卡西尼号抓住了15年一遇的机会，拍摄到了宏伟土星光环垂直投出的阴影。科学家依据此结果，计算出了土星环的平均厚度只有大约20米。
2010年底，卡西尼号观测到了土星北半球大气层中的巨型风暴，这场风暴环绕了整颗行星，持续了数月之久，是有史以来在土星上观测到的最大烈度的风暴。风暴形成了巨大的龙纹，缠绕在白色风眼的周围。这些被称为大白点巨型风暴，大约每30年发生一次。
这张特殊的图像，是在2013年7月拍摄的第323张照片，由卡西尼号通过不同的光谱滤光片制成。我们的星球位于8.98亿英里之外，图像中的蓝色马赛克是地球右面的是月亮。这是历史上第三次从土星拍摄地球。
2013年12月，卡西尼号拍摄了，土星北极独特的六角风暴最高分辨率视频。该视频为我们提供了风暴的近景图像，揭示了云结构绕着风眼运动时的情景，超级风暴直径大约有两万英里，使得它足以吞噬两个地球大小的行星，并且仍然具有剩余空间。
在将近13年的服役期间，卡西尼号多次飞越土星及其卫星。向地球发回了45万张照片，发现了6颗新卫星，收集了超过635GB的科学数据。卡西尼号飞船在飞行过程中获得了极大的成功！在2017年4月，卡西尼号的推进剂用尽，卓越的航天器进入了任务的最后阶段。
卡西尼号最后一次飞越泰坦，并利用卫星引力重塑轨迹。冲入土星大气层彻底和土星融为一体。在这个外星世界之上，卡西尼号任务虽然结束了。但始于我们这个小小的蓝色星球，对外星探索的梦想才刚刚开始。
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