سیاره زحل | ویژگی ها، تعداد قمرها و حلقه ها، عجایب و هر آنچه باید بدانید

رصد زحل قدمتی ماقبل تاریخی دارد و از زمان اولین رصد در اسطوره‌ها ثبت شد. ستاره‌شناسان بابلی به شکلی سیستماتیک زحل را رصد و حرکات آن را ثبت می‌کردند. زحل در یونان باستان با نام فاینون (Phainon) و در اساطیر روم با نام ساترن شناخته می‌شود.

ساترن خدای رومی کشاورزی و هم‌ارز با خدایی یونانی کرونوس یکی از تایتان‌ها و پدر زئوس است. نماد زحل داس است. چرا که ساترن خدای کشاورزی و همچنین زمان است. این نماد با شکلی مشابه حرف یونانی eta نمایش داده می‌شود که شکلی صلیب مانند به بالای آن اضافه شده است و به معنی داس خدایان است.

زحل هم مانند دیگر سیاره‌های منظومه شمسی تقریبا ۴.۶ میلیارد سال پیش از یک سحابی خورشیدی تشکیل شد. این سحابی، ابری بزرگ از گاز و غبار سرد بود که احتمالا از برخورد یک ابر یا موج سوپرنوا به وجود آمده است.

به‌طور کلی دو نظریه در مورد شکل‌گیری سیاره‌ها در منظومه شمسی وجود دارد. اولین و قابل قبول‌ترین نظریه، نظریه‌ی تجمع هسته است که در مورد سیاره‌های سنگی تا حد زیادی به واقعیت نزدیک است اما در مورد غول‌های گازی مانند زحل با مشکلاتی روبه‌رو می‌شود. دومین نظریه، نظریه‌ی ناپایداری دیسک می‌تواند در مورد غول‌های گازی درست باشد.

مدل تجمع هسته

تقریبا ۴/۶ میلیارد سال پیش، منظومه شمسی ابری از گاز و غبار موسوم به سحابی خورشیدی بود. جاذبه باعث شد مواد شروع به چرخش کنند در مرکز این چرخش خورشید به وجود آمد. با ظهور خورشید مواد باقی مانده به یکدیگر پیوستند. ذرات کوچک‌تر با نیروی جاذبه به ذرات بزرگ‌تر تبدیل شدند. بادهای خورشیدی عناصر کوچک‌تر از جمله هیدروژن و هلیوم را از مناطق نزدیک‌ به خورشید دور کردند و به‌این‌ترتیب مواد سنگین و سنگی در نزدیکی خورشید منجر به شکل‌گیری دنیاهای سنگی شدند.

 اما در فاصله‌ای دورتر بادهای خورشیدی تأثیر کمتری بر عناصر سبک‌تر داشتند و به‌این‌ترتیب غول‌های گازی مثل زحل به وجود آمدند. شهاب‌سنگ‌ها، ستاره‌های دنباله‌دار، سیاره‌ها و قمرها به همین شکل ایجاد شدند. می‌توان گفت زحل تقریبا به‌طور کامل از گاز سبک هیدروژن تشکیل شده است و البته بخش قابل توجهی از آن را هم هلیوم تشکیل می‌دهد. ردپای کوچکی از عناصر دیگر هم در جو آن دیده می‌شود. زحل برای جذب این گازها در این مدل باید هسته‌ی بزرگی داشته باشد. به این ترتیب نیروی جاذبه‌ی هسته‌ی سنگین عناصر سبک‌تر را قبل از دور شدن آن‌ها توسط بادهای خورشیدی به سمت خود جذب کرده است.

مدل ناپایداری دیسک

اما نیاز به زمان کوتاه برای شکل‌گیری غول‌های گازی یکی از مشکلات مدل تجمع هسته است. بر اساس مدل‌ها این فرایند در مدل تجمع هسته میلیون‌ها سال به طول می‌انجامد. در عین حال مدل تجمع هسته با مسئله‌ی انتقال سیاره‌ها هم روبه‌رو می‌شود زیرا سیاره‌های کوچک در مدت کوتاهی در مدار دور خورشید قرار گرفتند.

بر اساس یک نظریه‌ی نسبتا جدید موسوم به ناپایداری دیسک توده‌های گاز و غبار در اوایل حیات منظومه شمسی به یکدیگر پیوسته‌اند به مرور زمان این توده‌ها فشرده شده‌اند و غول‌های گازی را شکل داده‌اند. این سیاره‌ها سریع‌تر از همتایان خود در مدل تجمع هسته تشکیل شده‌اند و زمان شکل‌گیری آن‌ها حتی به چندهزار سال هم می‌رسد.

سیاره زحل ۷۶۰ برابر زمین است. با این اوصاف دومین سیاره‌ی سنگین در کل منظومه شمسی است که جرمی ۹۵ برابر جرم زمین دارد. زحل دارای کمترین چگالی در میان سیاره‌های منظومه شمسی است. چگالی این سیاره حتی از آب هم کمتر است به‌طوری‌که اگر زحل را در اقیانوسی به اندازه‌ی کافی بزرگ بیندازیم در سطح آن شناور خواهد شد.

^{زحل ۷۶۰ زمین را در خود جای می‌دهد}

هیدروژن و هلیوم از عناصر تشکیل‌دهنده‌ی غالب زحل هستند از این رو این سیاره یک غول گازی است.  زحل هم مانند مشتری سطح مشخصی ندارد اگرچه ممکن است یک هسته‌ی جامد داشته باشد. چرخش زحل باعث شده شکل این سیاره در قسمت قطب‌ها پهن شود و در استوا برآمده.

بر اساس مدل‌های استاندارد سیاره‌ای، ساختار داخلی زحل مشابه ساختار داخلی مشتری است؛ یعنی یک هسته‌ی سنگی در مرکز که با هیدروژن و هلیوم احاطه شده است. ترکیب هسته‌ی زحل مشابه زمین است اما تراکم آن بیشتر است. در سال ۲۰۰۴ دانشمندان جرم هسته‌ی زحل را ۹ الی ۲۲ برابر جرم زمین تخمین زدند. هسته‌ی زحل با لایه‌ی ضخیمی از هیدروژن فلزی مایع احاطه شده است، پس از این لایه‌ یک لایه‌ی مایع از هیدروژن مولکولی قرار گرفته که با افزایش ارتفاع کم کم وارد فاز گازی می‌شود. خارجی‌ترین لایه‌ در ارتفاع ۱۰۰۰ کیلومتری قرار دارد و از گاز تشکیل شده است.

 ^{نمودار ترکیب‌های زحل: لایه‌ای از هیدروژن مایع هسته‌ی این سیاره را احاطه کرده است}

فضای داخلی زحل بسیار داغ است و دمای هسته‌ی آن به ۱۱٬۷۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد هم می‌رسد. زحل ۲/۵ برابر انرژی دریافتی از خورشید را در فضا آزاد می‌کند. انرژی گرمایی مشتری بر اساس مکانیزم فشرده‌سازی جاذبه‌ای کند کلوین هولمهلتز (این مکانیزم وقتی رخ می‌دهد که سطح یک ستاره یا سیاره سرد شود.  فرایند سردسازی باعث کاهش فشار می‌شود و ستاره یا سیاره کوچک می‌شود) به وجود می‌آید اما این فرایند برای توصیف گرمایش زحل کافی نیست. مکانیزم دیگر تولید گرما بارش قطره‌های هلیوم در اعماق زحل است. با سقوط قطره‌ها روی هیدروژن کم تراکم، گرما آزاد می‌شود.

جو و ابرهای زحل

جو خارجی زحل شامل ۹۶/۳ درصد هیدروژن مولکولی و ۳/۲۵ درصد هلیوم است. به‌طور کلی ۷۵ درصد زحل را هیدروژن و ۲۵ درصد آن را هلیوم تشکیل می‌دهد و ردپایی هم از مواد دیگر مثل متان و آب منجمد را می‌توان در جو آن پیدا کرد. مقادیری از آمونیاک، استیلن، اتان، پروپان، فسفین و متان هم در جو زحل کشف شده‌اند. ابرهای فوقانی ترکیبی از کریستال آمونیاک هستند درحالی‌که ابرهای زیرین ترکیبی از آمونیوم هیدروسولفید یا آب هستند.

 اگرچه جو زحل شباهت‌های زیادی به جو مشتری دارد اما از دور یکنواخت به نظر می‌رسد. جو زحل دارای  الگویی نواری مشابه مشتری است. این نوارها در نزدیکی استوا عریض‌تر می‌شوند. ترکیب ابرها در نواحی مختلف متناسب با ارتفاع و افزایش فشار تغییر می‌کنند. زحل یکی از بادخیزترین نقاط در کل منظومه شمسی است و سرعت وزش باد در مناطق استوای آن به ۱۸۰۰ کیلومتر بر ساعت هم می‌رسد. نوارهای زرد و طلایی در جو زحل نتیجه‌ی بادهای فوق سریع در جو فوقانی این سیاره هستند.

زحل از نظر سرعت باد در منظومه شمسی رتبه‌ی دوم را دارد

 این سیاره از نظر سرعت باد در منظومه شمسی پس از نپتون رتبه‌ی دوم را به خود اختصاص می‌دهد. گاهی اوقات طوفان‌های سفید رنگ شدید لایه‌های ابری را متلاطم می‌کنند. یکی از این طوفان‌ها توسط تلسکوپ فضایی هابل در ۱۹۹۴ رصد شد. برای پی بردن به خصوصیات جوی زحل بهتر است آن را با زمین مقایسه کرد. جو زمین و زحل از نظر فشار جوی تفاوت عمده‌ای دارند.

شعاع زحل تقریبا ۹ برابر شعاع زمین است و با نفوذ به لایه‌های عمیق‌تر جوی فشار هم افزایش پیدا می‌کند. مشاهدات ناسا از این سیاره نشان می‌دهند فشار زحل در نزدیکی هسته ۱۰۰۰ برابر فشار روی زمین است و این فشار برای تبدیل هیدروژن به حالت مایع و سپس فلز جامد در هسته‌ی سیاره کافی است. سطوح فشار جوی متداول روی زمین را تنها می‌توان در مناطق فوقانی جو زحل پیدا کرد، در این بخش ابرهای یخی آمونیاک قرار دارند. دمای جو زحل بین منفی ۱۳۰ درجه تا مثبت ۸۰ درجه‌ی سانتی‌گراد متغیر است.

^{فیلم تایم‌لپس ناسا از حرکت ابرها در جو زحل}

 میدان مغناطیسی زحل

زحل دارای یک میدان مغناطیسی داخلی با یک شکل متقارن و ساده است. مگنتوسفر یا مغناطیس‌کره‌ی زحل به مراتب از مگنتوسفر مشتری کوچکتر است. حلقه‌ها و بسیاری از قمرهای زحل هم در محدوده‌ی این مگنتوسفر قرار می‌گیرند، در این منطقه رفتار ذرات باردار بیشتر تحت تأثیر میدان مغناطیسی زحل است تا بادهای خورشیدی.

پدیده‌ی شفق قطبی زمانی رخ می‌دهد که ذرات باردار به شکل مارپیچی در جو سیاره و در راستای خطوط میدان مغناطیسی قرار بگیرند. روی زمین این ذرات باردار از بادهای خورشیدی سرچشمه می‌گیرند. کاسینی نشان داد حداقل بعضی از شفق‌های زحل مشابه شفق‌های مشتری هستند و تحت تأثیر بادخورشیدی قرار ندارند.

^{شفق‌های قطبی زحل مشابه شفق‌های مشتری هستند}

مدار و چرخش زحل

در مقایسه با زمین، حرکت زحل به دور خورشید کند است اما حرکت آن به دور خود سریع‌تر است. زحل با سرعت تقریبی ۳۵٬۴۰۰ کیلومتر بر ساعت به دور خورشید می‌چرخد. این سرعت تقریبا یک سوم سرعت حرکت زمین به دور خورشید است. طول سال زحلی طی یک دوره‌ی کامل گردش به دور خورشید برابر با ۲۹.۵ سال یا ۱۰٬۷۵۵ روز زمینی است.

بااینکه حرکت زحل به دور خورشید کند است اما حرکت آن به دور محور خود بسیار سریع‌تر از زمین است و گردش به دور خود را در کمتر از نیم روز زمینی به پایان می‌رساند. به این دلیل که قطر زحل تقریبا ۱۰ برابر قطر زمین است، هر نقطه‌ روی استوای آن ۲۰ برابر سریع‌تر از نقطه‌ی متناظر در استوای زمین حرکت می‌کند. این چرخش سریع باعث می‌شود زحل فرم بیضی پیدا کند به‌طوری‌که در قسمت قطب‌ها مسطح و در استوا عریض شود. روز زحل برابر با ۱۰ ساعت و ۳۸ دقیقه در زمین است.

حلقه های زحل

حلقه‌های برجسته و درخشان زحل آن را به سیاره‌‌ای منحصربه‌فرد در کل منظومه شمسی تبدیل کرده است. حلقه‌های زحل به مدت قرن‌ها نظر ستاره‌شناسان را به خود جلب کرده‌اند. وقتی گالیله برای اولین بار در ۱۶۱۰ به رصد زحل پرداخت، تصور می‌کرد حلقه‌ها قمر‌های بزرگی هستند که در دو طرف سیاره قرارگرفته‌اند او در طی هفت سال رصد و کاوش تغییر شکل حلقه‌ها و حتی ناپدید شدن آن‌ها را ثبت کرد (براساس زاویه و انحراف با زمین).

 بر اساس مشاهدات گالیله، استوای زحل نسبت به مدار آن به دور خورشید دارای انحراف ۲۷ درجه‌ای است (مشابه انحراف ۲۳ درجه‌ای زمین). با چرخش زحل به دور خورشید، در ابتدا یک نیم‌کره و سپس نیم‌کره‌ی دیگر به سمت خورشید قرار می‌گیرند. این انحراف باعث تغییرات فصلی (مشابه زمین) می‌شود و وقتی زحل به نقطه‌ی اعتدالین (equinox) می‌رسد، استوا و صفحه‌ی حلقه‌ی هم‌تراز با خورشید قرار می‌گیرند. نور خورشید به لبه‌های حلقه برخورد می‌کند. عرض حلقه‌ها به‌طور کلی ۲۷۳٬۶۰۰ کیلومتر است اما ضخامت آن‌ها فقط ۱۰ متر است.

در سال ۱۶۵۵ ستاره‌شناس دیگری به نام کریستین هویگنس ثابت اجرام حلقه جامد هستند و در ۱۶۶۰ ستاره‌شناس دیگری نشان می‌دهد حلقه‌ها از ماهواره‌ها یا قمرهای کوچکی تشکیل شده‌اند (دیدگاهی که به مدت ۲۰۰ سال تأییدنشده باقی ماند).

در عصر مدرن کاوشگر پایونیر ۱۱ در سال ۱۹۷۹ از میان صفحه‌ی حلقه‌ای زحل عبور کرد. در دهه‌ی ۱۹۸۰، وویجر ۱ و وویجر ۲ به بررسی سیستم حلقه‌ای این سیاره پرداختند. در سال ۲۰۰۴، مأموریت کاسینی هویگنس ناسا اولین کاوشگری بود که وارد مدار زحل شد و مشاهدات دقیقی را نه‌تنها از خود سیاره بلکه از سیستم حلقه‌ای آن ثبت کرد.

حلقه‌های زحل از میلیاردها ذره شامل شن تا اجرام بزرگ در اندازه‌ی کوه ساخته شده‌اند. بیشترین بخش ذرات از آب منجمد تشکیل شده است. وقتی با یک تلسکوپ آماتور به زحل نگاه می‌کنید حلقه‌ی آن یک‌تکه به نظر می‌رسد اما این حلقه در واقعیت از چند قسمت تشکیل شده است. حلقه‌ها به ترتیب کشف نام‌گذاری شده‌اند بنابراین حلقه‌های اصلی از دورترین نقطه تا نزدیک‌ترین نقطه به صورت A، B و C نام‌گذاری می‌شوند. عرض شکاف A  تقریبا ۴۷۰۰ کیلومتر است که به آن بخش کاسینی هم گفته می‌شود این شکاف حلقه‌های A و B را جدا می‌کند.

 حلقه‌های باریک‌تر دیگر با بهبود فناوری تلسکوپ کشف شدند. وویجر ۱ داخلی‌ترین حلقه موسوم به D را در ۱۹۸۰ کشف کرد. حلقه‌ی F هم خارج از حلقه‌ی A قرار گرفته است. درحالی‌که حلقه‌ی G و E حتی در فاصله‌ی دورتر هستند. خود حلقه‌ها هم از تعدادی شکاف و ساختارهای مشخص تشکیل شده‌اند. بعضی از آن‌ها قمرهای بسیار کوچک زحل هستند درحالی‌که بعضی دیگر ستاره‌شناس‌ها را گیج می‌کنند. زحل تنها سیاره‌ی منظومه شمسی نیست که از سیستم حلقه‌ای برخوردار است. مشتری، اورانوس و نپتون هم حلقه دارند اما حلقه‌ی زحل از برجسته‌ترین نوع حلقه‌ است.

فرضیه‌های مختلفی در مورد نحوه‌ی شکل‌گیری حلقه‌های زحل وجود دارند. بعضی دانشمندان تصور می‌کنند دنباله‌دارها یا شهاب‌سنگ‌های عبوری به دام جاذبه‌ی زحل افتاده‌اند و قبل از رسیدن به آن دچار فروپاشی شده‌اند. دلیل درخشندگی زیاد حلقه‌های زحل این است که بخشی زیادی از حلقه ها را ذرات و قطعات یخی تشکیل می‌دهند. اندازه‌ی این ذرات از قطعات کوچک تا کوه‌های یخی بزرگ متغیر است. این ذرات یخی در حلقه‌ی زحل خوشه‌های یخی را تشکیل می‌دهند و نور زیادی را منعکس می‌کنند.

یک احتمال دیگر نشان می‌دهد حلقه‌ها زمانی ماه‌های بزرگی بودند که به دور این سیاره می‌چرخیدند. زحل دارای حداقل ۶۲ قمر است. تنها یکی از قمرهای آن یعنی تایتان قمر بزرگی است. بقیه‌ی قمرها اجرام کوچکی هستند و تنها ۱۳ قمر آن بیشتر از ۵۰ کیلومتر هستند. جاذبه‌ای این قمرها بر ساختار حلقه‌های زحل تأثیر می‌گذارند و در عین حال نشانه‌هایی را در مورد شکل‌گیری حلقه‌ها ارائه می‌دهند.

سیاره زحل دارای تعداد زیادی قمر متنوع است که از ماهواره‌هایی به قطر ده‌‌ها متر تا قمرهای بزرگی مثل تایتان با ابعادی بزرگ‌تر از سیاره عطارد متغیر هستند. زحل دارای ۸۲ قمر تأیید شده است که تنها ۱۳ عدد از آن‌ها دارای قطر بیش از ۵۰ کیلومتر هستند. تایتان برجسته‌ترین قمر زحل و دومین قمر بزرگ منظومه شمسی پس از گانیمد (ماه مشتری) است. جو این قمر مانند زمین پر از نیتروژن است و چشم‌انداز‌هایی از شبکه‌های رودخانه‌ای و دریاچه‌های هیدروکربنی را در بردارد.

بیست و چهار قمر زحل از ماهواره‌های منظم هستند و مدار پیشرونده آن‌ها مایل به صفحه استوایی زحل نیست. این بیست و چهار قمر شامل هفت ماهواره اصلی، چهار قمر کوچک، دو قمر  هم مدار کوچک و دو قمر دیگر هستند که مانند چوپان حلقه F زحل عمل می‌کنند. ۵۸ قمر  باقی مانده که دارای قطری متغیر از ۴ تا ۲۱۳ کیلومتر هستند از جمله قمرهای نامنظم هستند که مدار آن‌ها در فاصله دورتری از زحل قرار دارد. این قمرها احتمالا سیاره‌‌ی گرفتار یا بخش‌هایی از فروپاشی اجرام پس از به دام افتادن آن‌ها هستند. قمرهای نامنظم براساس ویژگی‌های مداری به گروه‌های اینوئیت، نورس و گالیک تقسیم می‌شوند. اسامی این گروه‌ها برگرفته از اساطیر یونانی است. بزرگ‌ترین قمر نامنظم فوبه نهمین قمر زحل است که در پایان قرن نوزدهم کشف شد. حلقه‌های زحل ترکیبی از اجرام متغیر میکروسکوپی تا ماهواره‌هایی به قطر چند صدمتر هستند که هر کدام در مدار خود به دور زحل می‌چرخند.

گمان‌ می‌رود منظومه قمری زحل مشابه قمرهای مشتری شکل گرفته باشند اما به‌طور کلی جزئیات تشکیل قمرهای زحل نامشخص است. در ۲۳ ژوئن ۲۰۱۴ ناسا از شواهدی قوی خبر داد که نشان می‌دهند نیتروژن موجود در جو تایتان از مواد ابر اوورت گرفته شده است نه از مواد زحل.

گروه‌بندی قمر‌های زحل

گرچه مرزبندی قمر‌های زحل تا اندازه‌ای مبهم است می‌توان براساس ویژگی‌های مداری آن‌ها را به ده گروه تقسیم کرد. تعداد زیادی از این ماه‌ها از جمله پن و دافنیس در سیستم حلقه‌های زحل قرار دارند و دوره مداری آن‌ها اندکی طولانی‌تر از دوره مداری زحل است. قمر‌های داخلی و قمرهای منظم دارای شیب متوسط مداری هستند که از یک درجه تا ۱.۵ درجه متغیر است. از سوی دیگر قمرهای نامنظم در بیرونی‌ترین بخش سیستم ماه زحل به‌ویژه در گروه نورس دارای رادیان مداری میلیون‌ها کیلومتر و دوره‌های مداری چندساله هستند. ماه‌های گروه نورس همچنین در جهت مخالف چرخش زحل به دور آن می‌چرخند.

• قمرهای بزرگ داخلی: داخلی‌ترین قمرهای بزرگ زحل در حلقه نازک E زحل قرار دارند. این قمرها عبارت‌اند از میماس، انسلادوس، تتیس، دیون.
• قمرهای بزرگ خارجی: این قمرها در آن سوی حلقه E قرار دارند عبارت‌اند از: رئا، تایتان، هایپریون، یاپتوس

قمرهای نامنظم

ماه‌های نامنظم ماهواره‌های کوچک با رادیان و شیب بالا هستند و گمان می‌رود در گذشته در دام جاذبه زحل گرفتار شده‌اند. اندازه دقیق این ماه‌ها هنوز مشخص نیست زیرا ابعاد آن‌ها به قدری کوچک است که به سختی با تلسکوپ قابل رصد هستند.

آلکئونیدها

به سه ماه کوچک بین ماه‌های میماس و انسلادوس، آلکئونید گفته می‌شود که این نام برگرفته از اساطیر یونان است. این سه ماه عبارت‌اند از: متون، آنت و پالن. آنت و متون دارای قوس حلقوی بسیار رقیقی در مدار خود هستند درحالی‌که پالن دارای یک حلقه رقیق کامل است. از میان این ماه‌ها تنها از متون از فاصله‌ای نسبتا نزدیک عکسبرداری شد. این ماه تخم مرغی شکل دارای تعداد کمی دهانه برخوردی است.

تایتان

تایتان بزرگ‌ترین قمر زحل و دومین قمر بزرگ منظومه شمسی (پس از گانیمد قمر مشتری) است. تایتان تنها قمر منظومه شمسی با اتمسفر سیاره‌مانند متراکم و ابری است. دانشمندان معتقدند شرایط تایتان مشابه شرایط اولیه در زمین است اما تنها تفاوت آن در فاصله نزدیک‌تر زمین به خورشید و گرمای بیشتر آن است. از بسیاری لحاظ تایتان بیشترین شباهت را به زمین دارد.

قطر تایتان به ۲۵۷۵ کیلومتر می‌رسد که تقریبا ۵۰ درصد عریض‌تر از ماه زمین است. فاصله تایتان از زحل نزدیک به ۱/۲ میلیون کیلومتر و نسبت به خورشید ۱.۴ میلیارد کیلومتر یا ۹.۵ واحد نجومی است. یک واحد نجومی به فاصله زمین تا خورشید گفته می‌شود. تقریبا ۸۰ دقیقه طول می‌کشد تا نور خورشید به تایتان برسد به دلیل این فاصله نور خورشید تقریبا ۱۰۰ برابر کم سو‌تر از نور خورشید روی زمین است.

تقریبا ۱۵ روز و ۲۲ ساعت طول می‌کشد تا تایتان یک مدار زحلی را کامل کند. تایتان نسبت به زحل دارای قفل جزر و مدی است به این معنی که مانند ماه زمین همیشه یک سمت آن از زحل دیده می‌شود. تقریبا ۲۹ سال زمینی طول می‌کشد تا زحل مدار خورشید را کامل کند (سال زحلی) و محور چرخش زحل مانند زمین دارای انحراف است که باعث ایجاد فصل در این سیاره می‌شود؛ اما فصل‌های زحل طولانی‌تر هستند و معمولا هر کدام نزدیک به هفت سال زمینی طول می‌کشند. از آنجا که مدار تایتان در راستای صفحه استوایی زحل قرار دارد و انحراف تایتان نسبت به خورشید تقریبا مشابه زحل است، فصل‌های این قمر هم مانند زحل هستند یعنی تقریبا هر فصل تایتان هفت سال زمینی و یک سال آن برابر با ۲۹ سال زمینی است.

^{تصویر کاسینی از دریاچه  هیدروکربنی قطب شمال تایتان}

دانشمندان درباره شکل‌گیری و منشأ دقیق تایتان مطمئن نیستند. با این حال جو این قمر سرنخ‌هایی را در خود دارد. تعدادی از ابزارهای کاوشگر کاسینی هویگنس به اندازه‌گیری ایزوتوپ‌های نیتروژن ۱۴ و نیتروژن ۱۵ در جو تایتان پرداختند. براساس یافته‌ها نسبت ایزوتوپ نیتروژن یافت‌شده در تایتان شباهت زیادی به ایزوتوپ‌ دنباله‌دارهای ابر اوورت دارد. ابر اوورت کره‌ای مشتمل بر صدها میلیاد بدنه یخی است که در فاصله‌ای بین ۵۰۰۰ و ۱۰۰ هزار واحد نجومی از خورشید قرار دارند (هر واحد نجومی برابر با ۱۵۰ میلیون کیلومتر است). نسبت نیتروژن جوی تایتان نشان می‌دهد بلوک‌های سازنده این قمر در اوایل تاریخی منظومه شمسی در ابر گاز و غبار یکسان با خورشید شکل گرفتند و منشأ این بلوک‌ها دیسک گرم مواد زحل نیست.

سطح: سطح تایتان یکی از شبیه‌ترین سطوح به زمین در کل منظومه شمسی است. البته دماهای آن پائین‌تر هستند و ویژگی‌های شیمیایی متفاوتی دارد. دمای سطح تایتان به منفی ۱۷۹ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. تایتان همچنین ممکن است دارای فعالیت‌ آتشفشانی باشد. سطح این قمر مملو از جریان‌های متان و اتان است که کانال‌های رودخانه‌ای و دریاچه‌ای بزرگ را تشکیل می‌دهند. هیچ دنیای دیگری در کل منظومه شمسی (به جز زمین) دارای مایعات سطحی نیست.

باران‌های تایتان از متان تشکیل شده‌اند و  دریاها و دریاچه‌های این قمر را تشکیل می‌دهند

جو: نزدیک به ۹۵ درصد از جو تایتان را نیتروژن و پنج درصد آن را متان تشکیل می‌دهد. می‌توان ردپاهایی از ترکیبات کربنی را هم در جو این سیاره پیدا کرد. در ارتفاعات این قمر، مولکول‌های متان و نیتروژن بر اثر برخورد با نور فرابنفش خورشید و ذرات پرانرژی تجزیه می‌شوند. بخش‌هایی از این مولکول مجددا ترکیب شده و مواد شیمیایی زیستی مختلفی مثل مواد حاوی کربن، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و دیگر عناصر ضروری برای حیات را به وجود می‌آورند.

بخشی از ترکیب‌ها با تجزیه و چرخه متان و نیتروژن به وجود می‌آیند. متان و نیتروژن ابری ضخیم و نارنجی رنگ را به وجود می‌آورند که سطح این قمر  را می‌پوشاند به همین دلیل بررسی سطح تایتان از فضا کار دشواری است. منشأ کل متان موجود در جو هنوز به‌صورت یک راز باقی مانده است.

^{وجود متان و نیتروژن در جو تایتان باعث ایجاد ابرهای نارنجی رنگ می‌شود}

پتانسیل حیات در تایتان

اندازه‌گیری‌های گرانشی متعدد فضاپیمای کاسینی از تایتان نشان می‌دهند این قمر  دارای اقیانوسی زیرزمینی از آب مایع است که احتمالا با نمک و آمونیاک ترکیب شده است. کاوشگر هویگنس آژانس فضایی اروپا همچنین در سال ۲۰۰۵ به اندازه‌گیری سیگنال‌های رادیویی سطح این قمر پرداخت که نشان‌دهنده اقیانوس‌هایی در عمق ۵۵ تا ۸۰ کیلومتری زیر سطح یخی تایتان هستند. کشف اقیانوس سراسری آب مایع هم تایتان را در گروه ماه‌هایی از منظومه شمسی قرار می‌دهد که از پتانسیل حیات برخوردار هستند. علاوه بر این رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و دریاهای متان و اتان مایع سطح تایتان می‌توانند به‌عنوان محیطی سکونت‌پذیر در سطح این قمر عمل کنند گرچه هرگونه حیات احتمالی روی این قمر  با حیات زمینی متفاوت خواهد بود؛ بنابراین تایتان می‌تواند میزبان زیستگاه و شرایط مناسب برای حیات از جمله حیاتی که می‌شناسیم (در اقیانوس زیرسطحی) و حیاتی که نمی‌شناسیم (در مایعات هیدروکربنی سطحی)‌باشد. گرچه هنوز شواهدی از حیات روی سطح تایتان کشف نشده‌اند، ماهیت شیمیایی پیچیده و منحصر‌به‌فرد این ماه از یافته‌های قطعی هستند که آن را به مقصدی ایده‌آل برای کاوش‌ها تبدیل می‌کنند.

انسلادوس

تعداد کمی از قمرهای منظومه شمسی به اندازه انسلادوس جذاب هستند. تصور می‌شود برخی از این قمرها از اقیانوس‌های آب مایع زیر پوسته منجمد خود برخورداراند اما یکی از ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد انسلادوس یخ‌فشان‌های آن هستند. براساس نمونه‌های به دست آمده از کاوش‌های فضایی، انسلادوس دارای بیشترین مواد اولیه شیمیایی لازم برای حیات است و احتمالا از آبراه‌های هیدروترمال یا آب گرمایی برخوردار است که آب داغ معدنی را از اقیانوس‌های زیر سطح به بیرون منتقل می‌کنند.

انسلادوس که از نظر وسعت هم‌اندازه با ایالت آریزونا است، سفیدترین و انعکاسی‌ترین سطح را در منظومه شمسی دارد. این قمر  از سیستم حلقه برخوردار است و قطعات یخ را به داخل مدار خود در فضا منتشر می‌کند این قطعات حلقه E زحل را تشکیل می‌دهند. نام انسلادوس از اساطیر یونانی گرفته شده است. تصاویر فضاپیمای وویجر در دهه ۱۹۸۰ نشان می‌دهند این قمر با وجود کوچکی (قطر تقریبی ۵۰۰ کیلومتری) دارای سطح یخی نسبتا همواری در برخی نقاط است و درخشندگی بالایی دارد. در واقع انسلادوس یکی از انعکاسی‌ترین بدنه‌های منظومه شمسی است که سال‌ها دانشمندان دلیل آن را نمی‌دانستند.

از آنجا که انسلادوس بخش زیادی از نور خورشید را منعکس می‌کند دمای سطحی آن به‌شدت پائین است وبه منفی ۲۰۱ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. انسلادوس در فاصله ۲۳۸ هزار کیلومتری از زحل بین مدار دو قمر دیگر میماس و تتیس قرار دارد. این قمر نسبت به زحل دارای قفل جزر و مدی است و در متراکم‌ترین بخش حلقه E زحل تقریبا ۳۲.۹ ساعت طول می‌کشد تا یک مدار را کامل کند.

فضاپیمای کاسینی ناسا در سال ۲۰۰۵، ذرات یخ آب و گاز منتشرشده از سطح انسلادوس با سرعت تقریبی ۴۰۰ متر بر ثانیه را آشکار کرد. به نظر می‌رسد این فوران‌ها پیوسته هستند و هاله‌ای عظیم از غبار یخی را در اطراف انسلادوس به وجود آورده‌اند که مواد حلقه E زحل را شکل می‌دهند. تنها بخش کوچکی از این مواد وارد حلقه می‌شوند و بخش زیادی از آن‌ها به شکل برف روی سطح انسلادوس فرود می‌آیند. به همین دلیل این ماه از سطح سفید و درخشانی برخوردار است.

یخ‌فشان‌های انسلادوس از شکاف‌های نسبتا گرمی در پوسته آن سرچشمه می‌گیرند که دانشمندان به آن‌ها نوارهای ببری می‌گویند. گاز‌های متعددی مثل بخار آب، کربن دی‌اکسید، متان و شاید اندکی آمونیاک و کربن مونوکسید و نیتروژن همراه ‌با نمک و سیلیکا پوشش گازی کانال‌های یخفشان انسلادوس را تشکیل می‌دهند. تراکم مواد زیستی در یخفشان‌ها بیست برابر بیشتر از انتظار دانشمندان است.

دانشمندان براساس اندازه‌گیری‌های اثر داپلر و دامنه لرزش بسیار اندک انسلادوس در حین چرخش آن به دور به اقیانوس سراسری زیر سطح این ماه پی بردند. آن‌ها معتقدند ضخامت پوسته یخی انسلادوس در قطب جنوب آن نزدیک به ۱ تا ۵ کیلومتر است. ضخامت میانگین سراسر پوسته بین ۲۰ تا ۲۵ کیلومتر است.

از آنجا که اقیانوس انسلادوس از یخفشان برخوردار است و  یخ‌فشان‌ها حلقه E زحل را تشکیل می‌دهند، بررسی حلقه E می‌تواند به‌معنی بررسی اقیانوس انسلادوس باشد. بخش زیادی از حلقه E را قطعات یخی تشکیل می‌دهند اما در میان آن‌ها می‌توان ذرات بسیار کوچک سیلیکا را هم پیدا کرد. این ذرات هنگامی به وجود می‌آیند که آب مایع و سنگ در دماهای بالای ۹۰ درجه سانتی‌گراد با یکدیگر واکنش دهند. این نشانه دیگری از وجود کانال‌های گرم آبی زیر پوسته یخی انسلادوس است که بی‌شباهت به کانال‌های گرم آبی اقیانوس‌های زمین نیست. انسلادوس با ویژگی‌هایی مثل اقیانوس سراسری، شیمی منحصربه‌فرد و گرمای داخلی یکی از کاندیدهای اصلی حیات در منظومه شمسی است.

یاپتوس

یاپتوس سومین قمر بزرگ زحل و یازدهمین قمر بزرگ در کل منظومه شمسی است. جوانی کاسینی این قمر را در ۲۵ اکتبر ۱۶۷۱ کشف کرد. با این حال یاپتوس برای ستاره‌شناسان به شکل نقطه‌ای دیده می‌شد که درخشش آن در طول دوره‌ی مداری زحل تغییر می‌کرد. کاوشگرهای وویجر ۱ و ۲ در دهه‌ی ۸۰ میلادی از منظومه‌ی زحلی و این قمر بازدید کردند و ویژگی‌های عجیب آن را آشکار کردند. قطر یاپتوس به ۷۳۶ کیلومتر می‌رسد. سه چهارم یاپتوس مانند رئا، دیگر قمر زحل از یخ و یک چهارم آن از سنگ تشکیل شده است.

براساس دو ادعا یاپتوس، قمر زحل، در فهرست قمر‌های عجیب منظومه شمسی قرار می‌گیرد. این قمر سال ۱۶۷۱ کشف شد و یک سمت آن کم‌نورتر از سمت دیگرش است. بخشی از نیم‌کره آن که رو به مدار زحل قرار دارد، به رنگ قهوه تیره است؛ درحالی‌که نیم‌کره دیگر آن خاکستری روشن است. براساس نظریه‌ای در توجیه تفاوت رنگی این قمر، سمت رو به زحل با غباری پوشیده شده است که براثر برخوردهای کوچک شهاب‌سنگی روی دیگر قمر‌های کوچک خارجی زحل منتشر شده‌اند.

دراین‌میان، تصاویر کاسینی داستانی پیچیده‌تر را روایت می‌کنند. اغلب مواد تیره سطح یاپتوس از داخل این قمر سرچشمه می‌گیرند و با تصعید یخ غبارآلود از سطح قمر (تبدیل جامد به بخار) رگه‌های تیره را به‌جای می‌گذارند. این فرایند احتمالا با انباشته‌شدن غبار قمر‌های خارجی آغاز می‌شود.

همچنین، یاپتوس سلسله کوهستانی به ارتفاع  ۱۳ کیلومتر و عرض بیست کیلومتر در استوا دارد که ظاهر متمایز گردومانند به آن بخشیده است. منشأ این سلسله کوهستانی مشخص نیست. براساس برخی نظریه‌ها، این کوهستان فسیلی از زمان چرخش سریع‌تر یاپتوس است که در قسمت استوا سر برآورده؛ درحالی‌که برخی دیگر معتقدند این کوهستان حاصل سنگ‌ریزه‌هایی از منظومه حلقوی کهن اطراف این قمر بوده که دچار فروپاشی شده و روی سطح فرود آمده است.

هایپریون

 هایپریون بزرگ‌ترین قمرنامنظم غیرکروی زحل است. شعاع متوسط آن ۱۳۵ کیلومتر است اما از آنجا که این قمر سیب‌زمینی شکل است، شکل آن را می‌توان بر اساس قطر آن در راستای سه محور توصیف کرد. هایپریون ظاهر عجیبی دارد: سطح آن مانند اسفنج یا مرجانی با حفره‌های تیره و شیارهای تیز است که از یخ و سنگ‌های روشن‌تر تشکیل شده‌اند. بااین‌حال، این تنها ویژگی عجیب هایپریون نیست: هایپریون اولین کشف از نوع قمر‌های غیرکروی بود و مداری مختلف‌المرکز دارد.

چرخش هایپریون با دوره مداری آن منطبق نیست و در الگویی نامنظم به دور زحل می‌چرخد؛ به‌طوری‌که محور چرخش آن به‌طور پیش‌بینی‌نشدنی نوسان می‌کند. هایپریون هم مانند دیگر قمر‌های منظومه شمسی از یخ آب تشکیل شده است؛ اما سطح آن به شکل عجیبی تیره است. براساس تخمین‌های فضاپیمای کاسینی، چگالی هایپریون ۵۵ درصد چگالی آب است؛ درنتیجه، بخش زیادی از فضای داخلی آن خالی است.

براساس نظریه‌ای محبوب، یکی از دلایل ویژگی‌های عجیب هایپریون آن است که این قمر بازمانده قمری بزرگ‌تر بوده است که احتمالا بین تایتان و یاپتوس قرار داشته و براثر برخورد با دنباله‌داری عظیم نابود شده است. مواد باقی‌مانده مجددا متراکم شدند و هایپریون را تشکیل دادند.

میماس

کاوشگرهای وویجر با ثبت تصاویری دقیق از میماس قمر زحل در دهه ۱۹۸۰ دانشمندان را در شوک فرو بردند. این قمر شباهت زیادی به ستاره مرگ در فیلم علمی‌تخیلی جنگ ستارگان دارد. دهانه برخوردی بزرگی یکی از نیم‌کره‌های این قمر را پوشانده است و دقیقا هم‌اندازه و شبیه به بشقاب لیزری نابودکننده‌ای است که جورج لوکاس به آن اشاره کرده بود؛ اما میماس بیش از یک عنصر فرهنگ عامه است.

میماس داخلی‌ترین قمر زحل است که در مداری نزدیک‌تر از انسلادوس و دورتر از پان و اطلس به دور زحل می‌چرخد. قطر این قمر به ۳۹۶ کیلومتر می‌رسد؛ به‌همین‌دلیل، کوچک‌ترین جرم منظومه شمسی با شکل کروی است.

^{دهانه برخوردی هرشل در سطح میماس. نام این دهانه برخوردی برگرفته از نام ویلیام هرشل است که سال ۱۷۸۹ این قمر را کشف کرد.}

پان و اطلس

پان و اطلس هر دو از داخلی‌ترین قمرهای زحل هستند. اطلس در لبه‌ی خارجی حلقه‌ی A به دور زحل می‌چرخد. تقریبا ۱۴/۴ ساعت طول می‌کشد تا اطلس مدار زحل را کامل کند این مدت برای پان ۱۳/۸ ساعت است. پان و اطلس قمر‌های زحل کوچک‌ترین قمر‌های منظومه شمسی هستند. این قمر‌ها با وجود اندازه کوچک می‌توانند بر منظومه حلقه زحل تأثیر بگذارند. این دنیاهای کوچک را شاید بتوان بهترین نمونه‌های شناخته‌شده از قمر‌های چوپان برشمرد. قمر‌های چوپان قمرواره‌های کوچکی هستند که در منظومه‌های حلقه‌ای سیاره‌های غول‌آسا قرار دارند. همان‌طورکه از نامشان پیدا است، این قمر‌ها به ذرات موجود در سیستم زحل کمک می‌کنند کنار یکدیگر قرار بگیرند و در‌عین‌حال، ذرات دیگر را پاک‌سازی می‌کنند

 پان عامل ایجاد شکاف انکه (Encke Gap) است؛ تفکیک برجسته‌ای که در حلقه درخشان A دیده می‌شود؛ درحالی‌که اطلس خارج از حلقه A قرار دارد. مهم‌ترین ویژگی هر دو قمر سطح هموار آن‌ها است که مانند بشقاب‌پرنده یا گردو به‌نظر می‌رسند. بونی بوراتی از آزمایش پیشرانش جت ناسا معتقد است این قمر‌ها در پوششی از ذرات کوچک قرار دارند و فضای بین حلقه‌ها را پاک‌سازی می‌کنند.

^{پان و اطلس به شکل بشقاب‌پرنده}

رئا

رئا دومین قمر بزرگ زحل است اما میانگین شعاع آن به یک سوم شعاع تایتان، بزرگ‌ترین ماه زحل است. رئا دنیای کوچک، سرد و بدون هوا است که شباهت زیادی به قمرهای خواهد خود یعنی دیون و تتیس دارد. رئا هم مانند دو قمر دیگر دارای قفل جزر و مدی نسبت به زحل است به این معنی که همیشه یک سمت آن از زحل دیده می‌شود. ۴.۵ روز زمینی طول می‌کشد تا رئا مدار زحل را کامل کند. دمای سطح رئا مشابه دمای دیون و تتیس است که در نواحی خورشیدی به منفی ۱۷۴ درجه‌ی سانتی‌گراد و در نواحی سایه به منفی ۲۲۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد. رئا هم مانند دیون و تتیس قابلیت بازتابی زیادی دارد و نشان می‌دهد ترکیب سطح آن عمدتا از یخ آب است.

رئا در فاصله‌ی ۵۲۷ هزار کیلومتر از زحل قرار دارد و قدری از دیون و تتیس دورتر است. فضاپیمای کاسینی در سال ۲۰۱۰ جوی بسیار نازک موسوم به اگزوسفر را در اطراف رئا کشف کرد که ترکیبی از اکسیژن و کربن دی‌اکسید است. کاسینی همچنین در سال ۲۰۰۸ نشانه‌هایی از موادی را در مدار رئا کشف کرد. این اولین کشف حلقه در اطراف یک قمر بود.

دیون

دیون قمر کوچکی با شعاع میانگین ۵۶۲ کیلومتر است که هر ۲/۷ روز یک بار مدار زحل را کامل می‌کند. این قمر در فاصله‌ی ۳۷۷ هزار کیلومتری از زحل قرار دارد که دقیقا برابر با فاصله‌ی ماه و زمین است. چگالی دیون ۱/۴۸ برابر آب مایع است در نتیجه یک سوم از دیون را هسته‌ای چگال (احتمالا از سنگ سیلیکات) تشکیل می‌دهد و بقیه‌ی آن از یخ است.

پودرهای یخی بسیار ریزی (مشابه دود) از حلقه‌ی E زحل سطح دیون را بمباران می‌کنند. غبار حلقه‌ی E از قمر یخی انسلادوس تشکیل شده است. سطح دیون پر از دهانه‌های برخوردی است به‌طوری‌که قطر دهانه‌های آن به ۱۰۰ کیلومتر هم می‌رسد.

تتیس

تتیس پنجمین قمر بزرگ زحل است. میانگین شعاع آن به ۶۳۳ کیلومتر می‌رسد. این قمر سرد و بدون هوا شباهت زیادی به قمرهای خواهر خود یعنی دیون و رئا دارد. البته با این استثنا که تتیس مانند دو قمر دیگر دهانه‌های برخوردی زیادی ندارد. بخش زیادی از تتیس از یخ آب تشکیل شده  و بخش کوچکی از آن را سنگ تشکیل می‌دهد.

تتیس دارای قابلیت بازتابی زیادی است و همین ویژگی نشانه‌ای دیگر بر ترکیب یخی آن است. دمای میانگین تتیس به منفی ۱۸۷ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد. تتیس در آسمان شب مانند نقطه‌ای کوچک به نظر می‌رسد و پس از بازدید کاوشگرهای وویجر ماهیت واقعی آن آشکار شد. ۴۵/۳ ساعت طول می‌کشد تا تتیس مدار زحل را کامل کند.

طوفان شش وجهی: قطب شمال زحل دارای ویژگی جذابی به نام جریان بادی شش‌وجهی است. این الگوی شش وجهی در ابتدا از تصاویر ارسال فضاپیمای وویجر مشاهده شد و سپس از فاصله‌ی نزدیک‌تر توسط کاسینی رصد شد. این شش وجهی که قطر آن به ۳۰٬۰۰۰ کیلومتر می‌رسد یک جریان مواج است که سرعت بادهای آن به ۳۲۲ کیلومتر بر ساعت می‌رسد و یک طوفان هم در مرکز آن قرار گرفته است. این طوفان در کل منظومه شمسی منحصربه‌فرد است. در قطب جنوب زحل هم شواهدی مبنی بر وجود جریان طوفانی وجود دارد اما هیچ موج شش وجهی دیده نمی‌شود. بر اساس گزارش‌های ناسا از کاسینی در نوامبر ۲۰۰۶، یک طوفان گردباد مانند در قطب جنوب زحل مشاهده شده است.

کاهش حلقه‌ها: بر اساس پژوهش‌های ناسا، حلقه‌های زحل از زمان بازدید کاوشگرهای وویجر از این سیاره با سرعتی حداکثری در حال کاهش هستند. این حلقه‌ها بر اثر جاذبه و تحت تأثیر میدان مغناطیسی زحل به سمت این سیاره جذب شدند. به گفته‌ی دانشمندان در طی سیصد میلیون سال حلقه‌های زحل کاملا از بین خواهند رفت از طرفی بر اساس یافته‌های کاسینی حلقه‌های زحل نسبتا جوان هستند و عمر آن‌ها کمتر از صد میلیون سال است. در نتیجه حلقه‌های زحل در مقایسه با عمر این سیاره (۴ میلیارد سال) بسیار جوان‌تر هستند.

فصل‌های طولانی: زحل هم مانند زمین از تغییرات فصلی برخوردار است اما فصل‌های زحل با فصل‌های زمین یک تفاوت عمده دارند. یک سال طول می‌کشد تا زمین مدار خورشید را کامل کند در این مدت زمین فصل‌های سرد و گرم را تجربه می‌کند. اما از آنجا که زحل از خورشید دورتر است ۲۹ سال زمینی طول می‌کشد تا مدار خورشید را کامل کند. در نتیجه یک سال زحل برابر است با ۲۹ سال زمینی. بنابراین فصل‌ها هم طولانی‌تر می‌شوند و طول مدت هر فصل زحلی تقریبا هفت سال است.

باران الماس: از آنجا که ساختار داخلی زحل کاملا با ساختار زمین متفاوت است، باران‌های آن از آب تشکیل نشده‌اند بلکه از جنس الماس‌اند. به گفته‌ی دانشمندان سالانه ده میلیون تن الماس در جو زحل تولید می‌شود. این پدیده به لطف ترکیب گاز متان (CH4) با فعالیت‌های بادی این سیاره به وجود می‌آید. پرتوهای زحل دمای بالایی دارند و ۱۰ هزار بار قوی‌تر از پرتوهای زمینی هستند و وقتی منتشر می‌شوند پیوندهای مولکولی را شکسته و هیدروژن و کربن را جدا می‌‌کنند.

سالانه ده میلیون تن باران الماس در زحل می‌بارد

اتم‌های کربن به یکدیگر می‌پیوندند و مولکول‌های بزرگ‌تری را تولید می‌کنند که به ترکیبی دوده‌مانند می‌انجامد. این ابر سیاه با الماس فاصله دارد اما داستان به همین‌جا ختم نمی‌شود. مولکول جدید نسبتا سنگین است و وقتی در دام جاذبه‌ی سیاره گرفتار شود به سمت پائین سقوط می‌کند. با سقوط در اعماق بیشتر دما و فشار واردشده بر مولکول‌ها هم افزایش می‌یابد. این شرایط منجر به دگرگونی کربن می‌شوند. در ابتدا کربن به گرافیت تبدیل می‌شود. همان ماده‌ای که داخل مدادهای شما است و سپس به الماس‌هایی با قطر یک سانتی‌متر تبدیل می‌شود و سقوط آن‌ها ادامه می‌یابد.

رصد و اکتشافات زحل را می‌توان به سه فاز تقسیم کرد. اولین دوره رصدهای باستانی (از جمله رصد با چشم غیرمسلح) قبل از اختراع تلسکوپ است. از قرن هفدهم مشاهدات پیشرفته‌ی تلسکوپی مستقر در زمین آغاز شدند. سومین فاز، بازدید کاوشگرهای فضایی بود، هم‌زمان با این دوره رصدهای مستقر در زمین (از جمله با تلسکوپ فضایی هابل) هم ادامه یافت.

برای دیدن حلقه‌های زحل نیاز به تلسکوپی با حداقل قطر ۱۵ میلی‌متر است. کریستین هویگنس در سال ۱۶۵۹ توانست به این موفقیت دست پیدا کند. قبل از آن گالیله با تلسکوپ اولیه‌ی خود زحل را رصد کرده بود و تصور می‌کرد زحل کاملا کروی نیست. تا اینکه هویگنس با تلسکوپی پیشرفته‌تر توانست برای اولین‌ بار حلقه‌های زحل را رصد کند. هویگنس همچنین تایتان، قمر بزرگ زحل را کشف کرد. بعدها جوانی دومنیکو کاسینی چهار قمر دیگر از زحل را کشف کرد: یاپتوس، رئا، تتیس و دیون.

ویلیام هرشل در سال ۱۷۸۹ دو قمر دیگر میماس و انسلادوس را کشف کرد. تیمی بریتانیایی هم هایپریون را در سال ۱۸۴۸ کشف کردند. ویلیام هنری پیکرینگ در سال ۱۸۹۹ قمر فوبه را کشف کرد که قمری نامنظم است و کاملا هماهنگ با زحل و دیگر قمرهای آن نمی‌چرخد. در قرن بیستم، پژوهش‌های تایتان وجود جو ضخیم این قمر را اثبات کردند.

در دوران مدرن، رصدهای تلسکوپ فضایی هابل ادامه یافت. فضاپیمای پایونیر ۱۱ اولین فضاپیمایی بود که از فاصله‌ی نزدیک موفق به رصد زحل شد، بعدها وویجر ۱ و ۲ مشاهدات دقیق‌تری را ارائه دادند. اما کاسینی تنها مدارپیمایی بود که اطلاعات دقیق‌تر و جامع‌تری را در مورد زحل ارائه داد و کاوشگر این فضاپیما به نام هویگنس برای اولین بار در سال ۲۰۰۵ روی سطح تایتان فرود آمد.

‌اکتشافات پایونیر  ۱۱

پایونیر یازده برای اولین بار در سپتامبر ۱۹۷۹ از فاصله‌ی ۲۰ هزار کیلومتری ابرهای فوقانی زحل عبور کرد. پایونیر یازده از زحل و چند قمر آن عکاسی کرد گرچه کیفیت عکس‌ها پائین هستند و جزئیات زیادی را نشان نمی‌دهند. این فضاپیما همچنین به بررسی حلقه‌های زحل پرداخت و حلقه‌ی نازک F را آشکار کرد.

^{تصویر نه‌چندان با کیفیت پایونیر ۱۱ از سیاره زحل}

اکتشافات وویجر ۱ و ۲

کاوشگر وویجر ۱ در نوامبر ۱۹۸۰ از منظومه‌ی زحلی بازدید کرد. این کاوشگر اولین تصاویر با کیفیت را از این سیاره، حلقه‌ها و قمرهای آن منتشر کرد. ویژگی‌های سطحی قمرهای زحل برای اولین بار توسط وویجر آشکار شدند. وویجر ۱ به قمر تایتان نزدیک شد و اطلاعات زیادی را درباره‌ی جو این قمر ارسال کرد. بر اساس داده‌های این کاوشگر جو تایتان در طول موج‌های مرئی غیرقابل نفوذ است در نتیجه هیچ‌کدام از جزئیات سطحی آن دیده نشدند.

تقریبا یک سال بعد در اوت ۱۹۸۱، کاوشگر وویجر ۲ بررسی منظومه‌ی زحلی را ادامه داد. تصاویر دقیق‌ بیشتری از قمرهای زحل و همچنین شواهدی از تغییرات جوی و حلقه‌های آن ارسال شدند. متأسفانه دوربین قابل چرخش این کاوشگر در طول بررسی زحل به مدت چند روز از کار افتاد و بسیاری از چشم‌اندازها ثبت نشدند. اپراتورها از جاذبه‌ی زحل برای تغییر مسیر فضاپیما به سمت اورانوس استفاده کردند. دو کاوشگر وویجر تعدادی از قمرهای نزدیک و داخل حلقه‌های زحل و همچنین شکاف کوچک مکسول (شکافی در حلقه‌ی C) و شکاف کیلر (شکافی عریض و ۴۲ کیلومتری در حلقه‌ی A) را کشف کردند.

^{تصویر ثبت شده توسط وویجر ۲}

کاسینی هویگنس: بررسی سیستم زحل

فضاپیمای کاسینی از ۳۰ ژوئن ۲۰۰۴ گردش خود به دور زحل را آغاز کرد و تا ۱۵ سپتامبر ۲۰۱۷ به مأموریت خود ادامه داد، عمر این کاوشگر با برخورد به جو این سیاره به پایان رسید. نابودی کاسینی عمدی و برای اطمینان از آلوده نشدن احتمالی قمر‌های انسلادوس و تایتان بود. از دستاوردهای کاسینی می‌توان به کشف یخ‌فشان‌های انسلادوس و کشف قمرهای جدیدی برای زحل اشاره کرد. کاسینی پروژه‌ی مشترک سازمان‌های فضایی متعدد بود و در مقابل کاوشگرهای قدیمی‌تر و بزرگتر ناسا از جمله پایونیر و وویجر قرار می‌گرفت. شرکای کاسینی، ناسا، سازمان فضایی اروپا و سازمان فضایی ایتالیا بودند.

کاسینی اولین فضاپیمایی بود که کاملا به بررسی زحل و سیستم حلقه‌های آن اختصاص یافت. نام این مدارپیما از جوانی کاسینی، ستاره‌شناس قرن هفدهم گرفته شد. کاسینی مستقیم به سمت زحل پرتاب نشد. بلکه مأموریت‌ آن کمی پیچیده‌تر بود. قبل از رسیدن به زحل سیاره‌های زهره (دوبار) ، زمین و مشتری را بررسی کرد و به این صورت از جاذبه‌ی هر سیاره برای افزایش سرعت خود استفاده کرد. این فضاپیمای ۵۷۰۰ کیلوگرمی در ۱۵ اکتبر ۱۹۹۷ به فضا پرتاب شد. در آوریل ۱۹۹۸ به زهره رسید، در آگوست ۱۹۹۹ به زمین و در دسامبر ۲۰۰۰ به مشتری رسید.

کاسینی در نهایت در ۱ جولای ۲۰۰۴ در مدار زحل قرار گرفت. یکی از اهداف اصلی این مأموریت کشف قمرهای بیشتر برای زحل و کشف ساختار و رنگ‌ حلقه‌ها و همین‌طور کسب اطلاعات بیشتری در مورد قمرهای این سیاره بود. کاسینی مسافری به نام کاوشگر هویگنس را همراه خود داشت. هویگنس در ۱۴ ژانویه‌ی ۲۰۰۵ در سطح تایتان فرود آمد و به مدت ۲.۵ ساعت اطلاعاتی را به سمت زمین مخابره کرد.

در این مدت کوتاه، پژوهشگرها تصاویری از سطح  و همین‌طور اطلاعاتی در مورد گازها و وضعیت بادهای موجود در جو و سطح تایتان به دست آوردند. کاسینی دو قمر جدید برای زحل کشف کرد همچنین به وجود آب مایع روی سطح انسلادوس و یخ‌فشان‌های آن پی برد. جزئیات بیشتری را هم در مورد دریاچه‌ی متان تایتان منتشر کرد. از دیگر اکتشافات کاسینی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

•  خاکریزه‌های ۸۰ کیلومتری سطح یاپتوس
• نمای نزدیک از قمر رئا و دهانه‌های برخوردی آن.
• کشف یک حلقه‌ی بزرگ در فاصله‌ی تقریبی ۱۲ میلیون کیلومتری زحل که احتمالا از ذرات قمر فوبه تشکیل شده است

^{منتخبی از تصاویر ثبت شده توسط فضاپیمای کاسینی هویگنس}

وداع با کاسینی

آخرین داده‌های کاسینی در تاریخ ۱۵ سپتامبر ۲۰۱۷ به زمین مخابره شدند؛ سپس این کاوشگر بر اثر برخورد با جو زحل منهدم شد. این آخرین چرخش کاسینی به دور زحل پس از ۱۳ سال کاوش و بررسی آن بود. به گفته‌ی کارشناسان ناسا، کاسینی ۴۵ ثانیه پس از آخرین مخابره‌ی خود به دلیل گرما و اصطکاک ناشی از سقوط متلاشی شده است.

در فاصله‌ی کوتاهی پس از متلاشی شدن کاسینی، اریک استارم،  برنامه‌ریز مأموریت‌های آن به برنامه‌ی خود در مورد گزارش تجربیات خود و تیمش در این مأموریت اشاره کرد. این مأموریت به پایان رسیده است اما نتایج علمی آن تا ده‌ها سال بعد هم منتشر خواهند شد زیرا کل اطلاعات هنوز تحلیل نشده‌اند.

مأموریت‌های آینده به زحل

از میان طرح‌های پیشنهادی برای اکتشافات در زحل، کاوشگر رباتیک دراگن فلای به مرحله‌ی تصویب ناسا رسیده است. این کاوشگر به شکل پهپادی است و به بررسی صدها موقعیت در تایتان، قمر زحل خواهد پرداخت. همچنین به نمونه‌برداری و اندازه‌گیری ترکیب مواد زیستی سطح تایتان و جستجوی حیات در این قمر خواهد پرداخت. دراگن‌فلای در سال ۲۰۲۶ پرتاب خواهد شد و سال ۲۰۳۴ به زحل می‌رسد.