سياره زحل | ويژگي ها، تعداد قمرها ، حلقه ها و عجايب

زحل از انديشه متخصصين فاصله با خورشيد ششمين سياره و از انديشه متخصصين اندازه دومين سياره‌ي بزرگ در كل منظومه شمسي است. زحل را به خاطر داشتن هزاران حلقه‌ي زيبا و منحصربه‌فرد مي‌توان ارباب حلقه‌هاي منظومه شمسي ناميد. اين سياره هم مانند مشتري يك غول گازي با شعاع ۹ برابر زمين است اين در حالي است كه چگالي آن يك هشتم زمين است.

ساختار داخلي زحل تركيبي از آهن، نيكل و سنگ است (تركيب‌هاي سيليكوني و اكسيژني). هسته‌ي سياره با لايه‌اي از هيدروژن فلزي احاطه شده است، لايه‌ي مياني از هيدروژن و هليوم مايع تشكيل شده است و در نهايت يك لايه‌ي بيروني گازي وجود دارد. دليل رنگ زرد ملايم زحل وجود كريستال‌هاي آمونياك در جو فوقاني آن است. جريان الكتريكي داخل لايه‌ي هيدروژن فلزي باعث افزايش ميدان مغناطيسي اين سياره شده است. قدرت ميدان مغناطيسي مشتري بيست و يك برابر زحل است. جو خارجي اين سياره آرام و بدون تلاطم است. سرعت باد در بعضي مناطق زحل به ۱۸۰۰ كيلومتر بر ساعت مي‌رسد كه از مشتري بيشتر است.

رصد سياره زحل قدمتي ماقبل تاريخي دارد و از زمان اولين رصد در اسطوره‌ها ثبت شد. ستاره‌شناسان بابلي به شكلي سيستماتيك زحل را رصد و حركات آن را ثبت مي‌كردند. سياره زحل در يونان باستان با نام فاينون (Phainon) و در اساطير روم با نام ساترن شناخته مي‌شود.

ساترن خداي رومي كشاورزي و هم‌ارز با خدايي يوناني كرونوس يكي از تايتان‌ها و پدر زئوس است. نماد سياره زحل داس است. چراكه ساترن خداي كشاورزي و همچنين زمان است. اين نماد با شكلي مشابه حرف يوناني eta نمايش داده مي‌شود كه شكلي صليب مانند به بالاي آن اضافه شده است و به معني داس خدايان است. رومي‌ها هفتمين روز هفته را Saturday (شنبه) نام‌گذاري كردند كه مخفف Saturn's Day به معني روز زحل است و اين روز براي اين سياره نام‌گذاري شده است.

سياره زحل هم مانند ديگر سياره‌هاي منظومه شمسي تقريباً ۴/۶ ميليارد سال پيش از يك سحابي خورشيدي تشكيل شد. اين سحابي، ابري بزرگ از گاز و غبار سرد بود كه احتمالاً از برخورد يك ابر يا موج سوپرنوا به وجود آمده است.

به‌طور كلي دو انديشه متخصصينيه در مورد شكل‌گيري سياره‌ها در منظومه شمسي وجود دارد. اولين و قابل قبول‌ترين انديشه متخصصينيه، انديشه متخصصينيه‌ي تجمع هسته است كه در مورد سياره‌هاي سنگي تا حد زيادي به واقعيت نزديك است اما در مورد غول‌هاي گازي مانند زحل با اشكالاتي روبه‌رو مي‌شود. دومين انديشه متخصصينيه، انديشه متخصصينيه‌ي ناپايداري ديسك مي‌تواند در مورد غول‌هاي گازي درست باشد.

تقريباً ۴/۶ ميليارد سال پيش، منظومه شمسي ابري از گاز و غبار موسوم به سحابي خورشيدي بود. جاذبه باعث شد مواد شروع به چرخش كنند در مركز اين چرخش خورشيد به وجود آمد. با ظهور خورشيد مواد باقي مانده به يكديگر پيوستند. ذرات كوچك‌تر با نيروي جاذبه به ذرات بزرگ‌تر تبديل شدند. بادهاي خورشيدي عناصر كوچك‌تر از جمله هيدروژن و هليوم را از مناطق نزديك‌ به خورشيد دور كردند و به‌اين‌ترتيب مواد سنگين و سنگي در نزديكي خورشيد منجر به شكل‌گيري دنياهاي سنگي شدند.

اما در فاصله‌اي دورتر بادهاي خورشيدي تأثير كمتري بر عناصر سبك‌تر داشتند و به‌اين‌ترتيب غول‌هاي گازي مثل زحل به وجود آمدند. شهاب‌سنگ‌ها، ستاره‌هاي دنباله‌دار، سياره‌ها و قمرها به همين شكل ايجاد شدند. مي‌توان گفت سياره زحل تقريباً به‌طور كامل از گاز سبك هيدروژن تشكيل شده است و البته بخش قابل توجهي از آن را هم هليوم تشكيل مي‌دهد. ردپاي كوچكي از عناصر ديگر هم در جو آن ديده مي‌شود. زحل براي جذب اين گازها در اين مدل بايد هسته‌ي بزرگي داشته باشد. بدين‌ترتيب نيروي جاذبه‌ي هسته‌ي سنگين عناصر سبك‌تر را قبل از دور شدن آن‌ها توسط بادهاي خورشيدي به سمت خود جذب كرده است.

اما نياز به زمان كوتاه براي شكل‌گيري غول‌هاي گازي يكي از اشكالات مدل تجمع هسته است. براساس مدل‌ها اين فرايند در مدل تجمع هسته ميليون‌ها سال به طول مي‌انجامد. در عين حال مدل تجمع هسته با مسئله‌ي انتقال سياره‌ها هم روبه‌رو مي‌شود زيرا سياره‌هاي كوچك در مدت كوتاهي در مدار دور خورشيد قرار گرفتند.

براساس يك انديشه متخصصينيه‌ي نسبتاً جديد موسوم به ناپايداري ديسك توده‌هاي گاز و غبار در اوايل حيات منظومه شمسي به يكديگر پيوسته‌اند به مرور زمان اين توده‌ها فشرده شده‌اند و غول‌هاي گازي را شكل داده‌اند. اين سياره‌ها سريع‌تر از همتايان خود در مدل تجمع هسته تشكيل شده‌اند و زمان شكل‌گيري آن‌ها حتي به چندهزار سال هم مي‌رسد.

سياره زحل ۷۶۰ برابر زمين حجم دارد، دومين سياره‌ي سنگين در كل منظومه شمسي است و ۹۵ برابر زمين جرم دارد. زحل داراي كمترين چگالي در ميان سياره‌هاي منظومه شمسي است. چگالي اين سياره حتي از آب هم كمتر است به‌طوري‌كه اگر زحل را در اقيانوسي به اندازه‌ي كافي بزرگ بيندازيم در سطح آن شناور خواهد شد.

زحل ۷۶۰ زمين را در خود جاي مي‌دهد

هيدروژن و هليوم از عناصر تشكيل‌دهنده‌ي غالب زحل هستند از اين رو اين سياره يك غول گازي است. زحل هم مانند مشتري سطح مشخصي ندارد اگرچه ممكن است يك هسته‌ي جامد داشته باشد. چرخش سياره زحل باعث شده شكل اين سياره در قسمت قطب‌ها پهن شود و در استوا برآمده.

براساس مدل‌هاي استاندارد سياره‌اي، ساختار داخلي زحل مشابه ساختار داخلي مشتري است؛ يعني يك هسته‌ي سنگي در مركز كه با هيدروژن و هليوم احاطه شده است. تركيب هسته‌ي زحل مشابه زمين است اما تراكم آن بيشتر است. در سال ۲۰۰۴ دانشمندان جرم هسته‌ي زحل را ۹ الي ۲۲ برابر جرم زمين تخمين زدند. هسته‌ي زحل با لايه‌ي ضخيمي از هيدروژن فلزي مايع احاطه شده است، پس از اين لايه‌ يك لايه‌ي مايع از هيدروژن مولكولي قرار گرفته كه با افزايش ارتفاع كم كم وارد فاز گازي مي‌شود. خارجي‌ترين لايه‌ در ارتفاع ۱۰۰۰ كيلومتري قرار دارد و از گاز تشكيل شده است.

نمودار تركيب‌هاي زحل: لايه‌اي از هيدروژن مايع هسته‌ي اين سياره را احاطه كرده است

فضاي داخلي سياره زحل بسيار جديد است و دماي هسته‌ي آن به ۱۱٬۷۰۰ درجه‌ي سانتي‌گراد هم مي‌رسد. زحل ۲/۵ برابر انرژي دريافتي از خورشيد را در فضا آزاد مي‌كند. انرژي گرمايي مشتري براساس مكانيزم فشرده‌سازي جاذبه‌اي كند كلوين هولمهلتز (اين مكانيزم وقتي رخ مي‌دهد كه سطح يك ستاره يا سياره سرد شود. فرايند سردسازي باعث كاهش فشار مي‌شود و ستاره يا سياره كوچك مي‌شود) به وجود مي‌آيد اما اين فرايند براي توصيف گرمايش زحل كافي نيست. مكانيزم ديگر توليد گرما بارش قطره‌هاي هليوم در اعماق زحل است. با سقوط قطره‌ها روي هيدروژن كم تراكم، گرما آزاد مي‌شود.

جو خارجي زحل شامل ۹۶/۳ درصد هيدروژن مولكولي و ۳/۲۵ درصد هليوم است. به‌طور كلي ۷۵ درصد زحل را هيدروژن و ۲۵ درصد آن را هليوم تشكيل مي‌دهد و ردپايي هم از مواد ديگر مثل متان و آب منجمد را مي‌توان در جو آن پيدا كرد. مقاديري از آمونياك، استيلن، اتان، پروپان، فسفين و متان هم در جو زحل كشف شده‌اند. ابرهاي فوقاني تركيبي از كريستال آمونياك هستند درحالي‌كه ابرهاي زيرين تركيبي از آمونيوم هيدروسولفيد يا آب هستند.

اگرچه جو سياره زحل شباهت‌هاي زيادي به جو مشتري دارد اما از دور يكنواخت به انديشه متخصصين مي‌رسد. جو زحل داراي الگويي نواري مشابه مشتري است. اين نوارها در نزديكي استوا عريض‌تر مي‌شوند. تركيب ابرها در نواحي مختلف متناسب با ارتفاع و افزايش فشار تغيير مي‌كنند. زحل يكي از بادخيزترين نقاط در كل منظومه شمسي است و سرعت وزش باد در مناطق استواي آن به ۱۸۰۰ كيلومتر بر ساعت هم مي‌رسد. نوارهاي زرد و طلايي در جو زحل نتيجه‌ي بادهاي فوق سريع در جو فوقاني اين سياره هستند. پرتوهاي فرابنفش منجر به فرايند فوتوليز يا نوركافت در جو فوقاني زحل مي‌شوند كه مجموعه‌اي از واكنش‌هاي هيدروكربني را به‌دنبال دارد. چرخه‌ي فوتوشيميايي زحل هم براساس چرخه‌ي فصلي آن تغيير مي‌كند.

سياره زحل از انديشه متخصصين سرعت باد در منظومه شمسي پس از نپتون رتبه‌ي دوم را به خود اختصاص مي‌دهد. گاهي اوقات طوفان‌هاي سفيد رنگ شديد لايه‌هاي ابري را متلاطم مي‌كنند. يكي از اين طوفان‌ها توسط تلسكوپ فضايي هابل در ۱۹۹۴ رصد شد. براي پي بردن به خصوصيات جوي زحل بهتر است آن را با زمين مقايسه كرد. جو زمين و زحل از انديشه متخصصين فشار جوي تفاوت عمده‌اي دارند.

شعاع سياره زحل تقريباً ۹ برابر شعاع زمين است و با نفوذ به لايه‌هاي عميق‌تر جوي فشار هم افزايش پيدا مي‌كند. مشاهدات ناسا از اين سياره نشان مي‌دهند فشار زحل در نزديكي هسته ۱۰۰۰ برابر فشار روي زمين است و اين فشار براي تبديل هيدروژن به حالت مايع و سپس فلز جامد در هسته‌ي سياره كافي است. سطوح فشار جوي متداول روي زمين را تنها مي‌توان در مناطق فوقاني جو زحل پيدا كرد، در اين بخش ابرهاي يخي آمونياك قرار دارند. دماي جو زحل بين منفي ۱۳۰ درجه تا مثبت ۸۰ درجه‌ي سانتي‌گراد متغير است.

فيلم تايم‌لپس ناسا از حركت ابرها در جو زحل

سياره زحل داراي يك ميدان مغناطيسي داخلي با يك شكل متقارن و ساده است. مگنتوسفر يا مغناطيس‌كره‌ي زحل به مراتب از مگنتوسفر مشتري كوچكتر است. حلقه‌ها و بسياري از قمرهاي زحل هم در محدوده‌ي اين مگنتوسفر قرار مي‌گيرند، در اين منطقه رفتار ذرات باردار بيشتر تحت تأثير ميدان مغناطيسي زحل است تا بادهاي خورشيدي.

پديده‌ي شفق قطبي زماني رخ مي‌دهد كه ذرات باردار به شكل مارپيچي در جو سياره و در راستاي خطوط ميدان مغناطيسي قرار بگيرند. روي زمين اين ذرات باردار از بادهاي خورشيدي سرچشمه مي‌گيرند. كاسيني نشان داد حداقل بعضي از شفق‌هاي زحل مشابه شفق‌هاي مشتري هستند و تحت تأثير بادخورشيدي قرار ندارند.

شفق‌هاي قطبي زحل مشابه شفق‌هاي مشتري هستند

در مقايسه با زمين، حركت سياره زحل به دور خورشيد كند است اما حركت آن به دور خود سريع‌تر است. زحل با سرعت تقريبي ۳۵٬۴۰۰ كيلومتر بر ساعت به دور خورشيد مي‌چرخد. اين سرعت تقريباً يك سوم سرعت حركت زمين به دور خورشيد است. طول سال زحلي طي يك دوره‌ي كامل گردش به دور خورشيد برابر با ۲۹.۵ سال يا ۱۰٬۷۵۵ روز زميني است.

بااينكه حركت زحل به دور خورشيد كند است اما حركت آن به دور محور خود بسيار سريع‌تر از زمين است و گردش به دور خود را در كمتر از نيم روز زميني به پايان مي‌رساند. به اين دليل كه قطر زحل تقريباً ۱۰ برابر قطر زمين است، هر نقطه‌ روي استواي آن ۲۰ برابر سريع‌تر از نقطه‌ي متناظر در استواي زمين حركت مي‌كند. اين چرخش سريع باعث مي‌شود زحل فرم بيضي پيدا كند به‌طوري‌كه در قسمت قطب‌ها مسطح و در استوا عريض شود. روز زحل برابر با ۱۰ ساعت و ۳۸ دقيقه در زمين است.

در سال ۲۰۰۷ مشخص شد، تغييرات انتشارات راديويي از سياره زحل منطبق با سرعت چرخش آن نيستند. اين واريانس ممكن است به دليل فعاليت‌هاي آبفشاني در انسلادوس، قمر زحل رخ داده باشند. به اين صورت بخار آب منتشر شده در مدار زحل باردار مي‌شود و درنتيجه باعث كشيدگي در ميدان مغناطيسي زحل مي‌شوند و بدين‌ترتيب چرخش ميدان مغناطيسي نسبت به چرخش خود سياره كندتر مي‌شود.

حلقه‌هاي برجسته و درخشان سياره زحل آن را به سياره‌‌اي منحصربه‌فرد در كل منظومه شمسي تبديل كرده است. حلقه‌هاي زحل به مدت قرن‌ها انديشه متخصصين ستاره‌شناسان را به خود جلب كرده‌اند. وقتي گاليله براي اولين بار در ۱۶۱۰ به رصد زحل پرداخت، تصور مي‌كرد حلقه‌ها قمر‌هاي بزرگي هستند كه در دو طرف سياره قرارگرفته‌اند او در طي هفت سال رصد و كاوش تغيير شكل حلقه‌ها و حتي ناپديد شدن آن‌ها را ثبت كرد (براساس زاويه و انحراف با زمين).

براساس مشاهدات گاليله، استواي زحل نسبت به مدار آن به دور خورشيد داراي انحراف ۲۷ درجه‌اي است (مشابه انحراف ۲۳ درجه‌اي زمين). با چرخش زحل به دور خورشيد، در ابتدا يك نيم‌كره و سپس نيم‌كره‌ي ديگر به سمت خورشيد قرار مي‌گيرند. اين انحراف باعث تغييرات فصلي (مشابه زمين) مي‌شود و وقتي زحل به نقطه‌ي اعتدالين (equinox) مي‌رسد، استوا و صفحه‌ي حلقه‌ي هم‌تراز با خورشيد قرار مي‌گيرند. نور خورشيد به لبه‌هاي حلقه برخورد مي‌كند. عرض حلقه‌ها به‌طور كلي ۲۷۳٬۶۰۰ كيلومتر است اما ضخامت آن‌ها فقط ۱۰ متر است.

در سال ۱۶۵۵ ستاره‌شناس ديگري به نام كريستين هويگنس ثابت اجرام حلقه جامد هستند و در ۱۶۶۰ ستاره‌شناس ديگري نشان مي‌دهد حلقه‌ها از ماهواره‌ها يا قمرهاي كوچكي تشكيل شده‌اند (انديشه متخصصيناتي كه به مدت ۲۰۰ سال تأييدنشده باقي ماند).

در عصر مدرن كاوشگر پايونير ۱۱ در سال ۱۹۷۹ از ميان صفحه‌ي حلقه‌اي زحل عبور كرد. در دهه‌ي ۱۹۸۰، وويجر ۱ و وويجر ۲ به مطالعه سيستم حلقه‌اي اين سياره پرداختند. در سال ۲۰۰۴، مأموريت كاسيني هويگنس ناسا اولين كاوشگري بود كه وارد مدار زحل شد و مشاهدات دقيقي را نه‌تنها از خود سياره بلكه از سيستم حلقه‌اي آن ثبت كرد.

حلقه‌هاي زحل از ميلياردها ذره شامل شن تا اجرام بزرگ در اندازه‌ي كوه ساخته شده‌اند. بيشترين بخش ذرات از آب منجمد تشكيل شده است. وقتي با يك تلسكوپ آماتور به زحل نگاه مي‌كنيد حلقه‌ي آن يك‌تكه به انديشه متخصصين مي‌رسد اما اين حلقه در واقعيت از چند قسمت تشكيل شده است. حلقه‌ها به ترتيب كشف نام‌گذاري شده‌اند بنابراين حلقه‌هاي اصلي از دورترين نقطه تا نزديك‌ترين نقطه به صورت A، B و C نام‌گذاري مي‌شوند. عرض شكاف A تقريباً ۴۷۰۰ كيلومتر است كه به آن بخش كاسيني هم گفته مي‌شود اين شكاف حلقه‌هاي A و B را جدا مي‌كند.

حلقه‌هاي باريك‌تر ديگر با بهبود فناوري تلسكوپ كشف شدند. وويجر ۱ داخلي‌ترين حلقه موسوم به D را در ۱۹۸۰ كشف كرد. حلقه‌ي F هم خارج از حلقه‌ي A قرار گرفته است. درحالي‌كه حلقه‌ي G و E حتي در فاصله‌ي دورتر هستند. خود حلقه‌ها هم از تعدادي شكاف و ساختارهاي مشخص تشكيل شده‌اند. بعضي از آن‌ها قمرهاي بسيار كوچك زحل هستند درحالي‌كه بعضي ديگر ستاره‌شناس‌ها را گيج مي‌كنند. زحل تنها سياره‌ي منظومه شمسي نيست كه از سيستم حلقه‌اي برخوردار است. مشتري، اورانوس و نپتون هم حلقه دارند اما حلقه‌ي زحل از برجسته‌ترين نوع حلقه‌ است.

فرضيه‌هاي مختلفي در مورد نحوه‌ي شكل‌گيري حلقه‌هاي زحل وجود دارند. بعضي دانشمندان تصور مي‌كنند دنباله‌دارها يا شهاب‌سنگ‌هاي عبوري به دام جاذبه‌ي زحل افتاده‌اند و قبل از رسيدن به آن دچار فروپاشي شده‌اند. دليل درخشندگي زياد حلقه‌هاي زحل اين است كه بخشي زيادي از حلقه ها را ذرات و قطعات يخي تشكيل مي‌دهند. اندازه‌ي اين ذرات از قطعات كوچك تا كوه‌هاي يخي بزرگ متغير است. اين ذرات يخي در حلقه‌ي زحل خوشه‌هاي يخي را تشكيل مي‌دهند و نور زيادي را منعكس مي‌كنند.

يك احتمال ديگر نشان مي‌دهد حلقه‌ها زماني ماه‌هاي بزرگي بودند كه به دور اين سياره مي‌چرخيدند. سياره زحل داراي حداقل ۸۳ قمر است. تنها يكي از قمرهاي آن يعني تايتان قمر بزرگي است. بقيه‌ي قمرها اجرام كوچكي هستند و تنها ۱۳ قمر آن بيشتر از ۵۰ كيلومتر هستند. جاذبه‌اي اين قمرها بر ساختار حلقه‌هاي زحل تأثير مي‌گذارند و در عين حال نشانه‌هايي را در مورد شكل‌گيري حلقه‌ها ارائه مي‌دهند.

سياره زحل داراي تعداد زيادي قمر متنوع است كه از ماهواره‌هايي به قطر ده‌‌ها متر تا قمرهاي بزرگي مثل تايتان با ابعادي بزرگ‌تر از سياره عطارد متغير هستند. زحل داراي ۸۳ قمر تأييد شده است كه تنها ۱۳ عدد از آن‌ها داراي قطر بيش از ۵۰ كيلومتر هستند. تايتان برجسته‌ترين قمر زحل و دومين قمر بزرگ منظومه شمسي پس از گانيمد (ماه مشتري) است. جو اين قمر مانند زمين پر از نيتروژن است و چشم‌انداز‌هايي از شبكه‌هاي رودخانه‌اي و درياچه‌هاي هيدروكربني را در بردارد.

بيست و چهار قمر زحل از ماهواره‌هاي منظم هستند و مدار پيشرونده آن‌ها مايل به صفحه استوايي زحل نيست. اين بيست و چهار قمر شامل هفت ماهواره اصلي، چهار قمر كوچك، دو قمر هم مدار كوچك و دو قمر ديگر هستند كه مانند چوپان حلقه F زحل عمل مي‌كنند. ۵۸ قمر باقي مانده كه داراي قطري متغير از ۴ تا ۲۱۳ كيلومتر هستند از جمله قمرهاي نامنظم هستند كه مدار آن‌ها در فاصله دورتري از زحل قرار دارد. اين قمرها احتمالاً سياره‌‌ي گرفتار يا بخش‌هايي از فروپاشي اجرام پس از به دام افتادن آن‌ها هستند. قمرهاي نامنظم براساس ويژگي‌هاي مداري به گروه‌هاي اينوئيت، نورس و گاليك تقسيم مي‌شوند. اسامي اين گروه‌ها برگرفته از اساطير يوناني است. بزرگ‌ترين قمر نامنظم فوبه نهمين قمر زحل است كه در پايان قرن نوزدهم كشف شد. حلقه‌هاي زحل تركيبي از اجرام متغير ميكروسكوپي تا ماهواره‌هايي به قطر چند صدمتر هستند كه هر كدام در مدار خود به دور زحل مي‌چرخند.

گمان‌ مي‌رود منظومه قمري سياره زحل مشابه قمرهاي سياره مشتري شكل گرفته باشند اما به‌طور كلي جزئيات تشكيل قمرهاي زحل نامشخص است. در ۲۳ ژوئن ۲۰۱۴ ناسا از شواهدي قوي خبر داد كه نشان مي‌دهند نيتروژن موجود در جو تايتان از مواد ابر اوورت گرفته شده است نه از مواد زحل.

مقايسه قمرهاي زحل از انديشه متخصصين اندازه

گرچه مرزبندي قمر‌هاي زحل تا اندازه‌اي مبهم است مي‌توان براساس ويژگي‌هاي مداري آن‌ها را به ده گروه تقسيم كرد. تعداد زيادي از اين ماه‌ها از جمله پن و دافنيس در سيستم حلقه‌هاي زحل قرار دارند و دوره مداري آن‌ها اندكي طولاني‌تر از دوره مداري زحل است. قمر‌هاي داخلي و قمرهاي منظم داراي شيب متوسط مداري هستند كه از يك درجه تا ۱.۵ درجه متغير است. از سوي ديگر قمرهاي نامنظم در بيروني‌ترين بخش سيستم ماه زحل به‌ويژه در گروه نورس داراي راديان مداري ميليون‌ها كيلومتر و دوره‌هاي مداري چندساله هستند. ماه‌هاي گروه نورس همچنين در جهت مخالف چرخش زحل به دور آن مي‌چرخند.

• قمرهاي بزرگ داخلي: داخلي‌ترين قمرهاي بزرگ زحل در حلقه نازك E زحل قرار دارند. اين قمرها عبارت‌اند از ميماس، انسلادوس، تتيس، ديون.
• قمرهاي بزرگ خارجي: اين قمرها در آن سوي حلقه E قرار دارند عبارت‌اند از: رئا، تايتان، هايپريون، ياپتوس

ماه‌هاي نامنظم ماهواره‌هاي كوچك با راديان و شيب بالا هستند و گمان مي‌رود در گذشته در دام جاذبه زحل گرفتار شده‌اند. اندازه دقيق اين ماه‌ها هنوز مشخص نيست زيرا ابعاد آن‌ها به قدري كوچك است كه به سختي با تلسكوپ قابل رصد هستند.

به سه ماه كوچك بين ماه‌هاي ميماس و انسلادوس، آلكئونيد گفته مي‌شود كه اين نام برگرفته از اساطير يونان است. اين سه ماه عبارت‌اند از: متون، آنت و پالن. آنت و متون داراي قوس حلقوي بسيار رقيقي در مدار خود هستند درحالي‌كه پالن داراي يك حلقه رقيق كامل است. از ميان اين ماه‌ها تنها از متون از فاصله‌اي نسبتاً نزديك عكسبرداري شد. اين ماه تخم مرغي شكل داراي تعداد كمي دهانه برخوردي است.

تايتان بزرگ‌ترين قمر سياره زحل و دومين قمر بزرگ منظومه شمسي (پس از گانيمد قمر مشتري) است. تايتان تنها قمر منظومه شمسي با اتمسفر سياره‌مانند متراكم و ابري است. دانشمندان معتقدند شرايط تايتان مشابه شرايط اوليه در زمين است اما تنها تفاوت آن در فاصله نزديك‌تر زمين به خورشيد و گرماي بيشتر آن است. از بسياري لحاظ تايتان بيشترين شباهت را به زمين دارد.

قطر تايتان به ۲۵۷۵ كيلومتر مي‌رسد كه تقريباً ۵۰ درصد عريض‌تر از ماه زمين است. فاصله تايتان از زحل نزديك به ۱/۲ ميليون كيلومتر و نسبت به خورشيد ۱.۴ ميليارد كيلومتر يا ۹.۵ واحد نجومي است. يك واحد نجومي به فاصله زمين تا خورشيد گفته مي‌شود. تقريباً ۸۰ دقيقه طول مي‌كشد تا نور خورشيد به تايتان برسد به دليل اين فاصله نور خورشيد تقريباً ۱۰۰ برابر كم سو‌تر از نور خورشيد روي زمين است.

تقريباً ۱۵ روز و ۲۲ ساعت طول مي‌كشد تا تايتان يك مدار زحلي را كامل كند. تايتان نسبت به زحل داراي قفل جزر و مدي است به اين معني كه مانند ماه زمين هميشه يك سمت آن از زحل ديده مي‌شود. تقريباً ۲۹ سال زميني طول مي‌كشد تا زحل مدار خورشيد را كامل كند (سال زحلي) و محور چرخش زحل مانند زمين داراي انحراف است كه باعث ايجاد فصل در اين سياره مي‌شود؛ اما فصل‌هاي زحل طولاني‌تر هستند و معمولاً هر كدام نزديك به هفت سال زميني طول مي‌كشند. ازآنجاكه مدار تايتان در راستاي صفحه استوايي زحل قرار دارد و انحراف تايتان نسبت به خورشيد تقريباً مشابه زحل است، فصل‌هاي اين قمر هم مانند زحل هستند يعني تقريباً هر فصل تايتان هفت سال زميني و يك سال آن برابر با ۲۹ سال زميني است.

تصوير كاسيني از درياچه هيدروكربني قطب شمال تايتان

دانشمندان درباره شكل‌گيري و منشأ دقيق تايتان مطمئن نيستند. بااين‌حال جو اين قمر سرنخ‌هايي را در خود دارد. تعدادي از ابزارهاي كاوشگر كاسيني هويگنس به اندازه‌گيري ايزوتوپ‌هاي نيتروژن ۱۴ و نيتروژن ۱۵ در جو تايتان پرداختند. براساس يافته‌ها نسبت ايزوتوپ نيتروژن يافت‌شده در تايتان شباهت زيادي به ايزوتوپ‌ دنباله‌دارهاي ابر اوورت دارد. ابر اوورت كره‌اي مشتمل بر صدها ميلياد بدنه يخي است كه در فاصله‌اي بين ۵۰۰۰ و ۱۰۰ هزار واحد نجومي از خورشيد قرار دارند (هر واحد نجومي برابر با ۱۵۰ ميليون كيلومتر است). نسبت نيتروژن جوي تايتان نشان مي‌دهد بلوك‌هاي سازنده اين قمر در اوايل تاريخي منظومه شمسي در ابر گاز و غبار يكسان با خورشيد شكل گرفتند و منشأ اين بلوك‌ها ديسك گرم مواد زحل نيست.

سطح: سطح تايتان يكي از شبيه‌ترين سطوح به زمين در كل منظومه شمسي است. البته دماهاي آن پائين‌تر هستند و ويژگي‌هاي شيميايي متفاوتي دارد. دماي سطح تايتان به منفي ۱۷۹ درجه سانتي‌گراد مي‌رسد. تايتان همچنين ممكن است داراي فعاليت‌ آتشفشاني باشد. سطح اين قمر مملو از جريان‌هاي متان و اتان است كه كانال‌هاي رودخانه‌اي و درياچه‌اي بزرگ را تشكيل مي‌دهند. هيچ دنياي ديگري در كل منظومه شمسي (به جز زمين) داراي مايعات سطحي نيست.

جو: نزديك به ۹۵ درصد از جو تايتان را نيتروژن و پنج درصد آن را متان تشكيل مي‌دهد. مي‌توان ردپاهايي از تركيبات كربني را هم در جو اين سياره پيدا كرد. در ارتفاعات اين قمر، مولكول‌هاي متان و نيتروژن بر اثر برخورد با نور فرابنفش خورشيد و ذرات پرانرژي تجزيه مي‌شوند. بخش‌هايي از اين مولكول مجددا تركيب شده و مواد شيميايي زيستي مختلفي مثل مواد حاوي كربن، هيدروژن، نيتروژن، اكسيژن و ديگر عناصر ضروري براي حيات را به وجود مي‌آورند.

بخشي از تركيب‌ها با تجزيه و چرخه متان و نيتروژن به وجود مي‌آيند. متان و نيتروژن ابري ضخيم و نارنجي رنگ را به وجود مي‌آورند كه سطح اين قمر را مي‌پوشاند به همين دليل مطالعه سطح تايتان از فضا كار دشواري است. منشأ كل متان موجود در جو هنوز به‌صورت يك راز باقي مانده است.

وجود متان و نيتروژن در جو تايتان باعث ايجاد ابرهاي نارنجي رنگ مي‌شود

اندازه‌گيري‌هاي گرانشي متعدد فضاپيماي كاسيني از تايتان نشان مي‌دهند اين قمر داراي اقيانوسي زيرزميني از آب مايع است كه احتمالاً با نمك و آمونياك تركيب شده است. كاوشگر هويگنس آژانس فضايي اروپا همچنين در سال ۲۰۰۵ به اندازه‌گيري سيگنال‌هاي راديويي سطح اين قمر پرداخت كه نشان‌دهنده اقيانوس‌هايي در عمق ۵۵ تا ۸۰ كيلومتري زير سطح يخي تايتان هستند. كشف اقيانوس سراسري آب مايع هم تايتان را در گروه ماه‌هايي از منظومه شمسي قرار مي‌دهد كه از پتانسيل حيات برخوردار هستند. علاوه بر اين رودخانه‌ها، درياچه‌ها و درياهاي متان و اتان مايع سطح تايتان مي‌توانند به‌عنوان محيطي سكونت‌پذير در سطح اين قمر عمل كنند گرچه هرگونه حيات احتمالي روي اين قمر با حيات زميني متفاوت خواهد بود؛ بنابراين تايتان مي‌تواند ميزبان زيستگاه و شرايط مناسب براي حيات از جمله حياتي كه مي‌شناسيم (در اقيانوس زيرسطحي) و حياتي كه نمي‌شناسيم (در مايعات هيدروكربني سطحي)‌باشد. گرچه هنوز شواهدي از حيات روي سطح تايتان كشف نشده‌اند، ماهيت شيميايي پيچيده و منحصر‌به‌فرد اين ماه از يافته‌هاي قطعي هستند كه آن را به مقصدي ايده‌آل براي كاوش‌ها تبديل مي‌كنند.

تعداد كمي از قمرهاي منظومه شمسي به اندازه انسلادوس جذاب هستند. تصور مي‌شود برخي از اين قمرها از اقيانوس‌هاي آب مايع زير پوسته منجمد خود برخورداراند اما يكي از ويژگي‌هاي منحصر‌به‌فرد انسلادوس يخ‌فشان‌هاي آن هستند. براساس نمونه‌هاي به دست آمده از كاوش‌هاي فضايي، انسلادوس داراي بيشترين مواد اوليه شيميايي لازم براي حيات است و احتمالاً از آبراه‌هاي هيدروترمال يا آب گرمايي برخوردار است كه آب جديد معدني را از اقيانوس‌هاي زير سطح به بيرون منتقل مي‌كنند.

انسلادوس كه از انديشه متخصصين وسعت هم‌اندازه با ايالت آريزونا است، سفيدترين و انعكاسي‌ترين سطح را در منظومه شمسي دارد. اين قمر از سيستم حلقه برخوردار است و قطعات يخ را به داخل مدار خود در فضا منتشر مي‌كند اين قطعات حلقه E زحل را تشكيل مي‌دهند. نام انسلادوس از اساطير يوناني گرفته شده است. تصاوير فضاپيماي وويجر در دهه ۱۹۸۰ نشان مي‌دهند اين قمر با وجود كوچكي (قطر تقريبي ۵۰۰ كيلومتري) داراي سطح يخي نسبتاً همواري در برخي نقاط است و درخشندگي بالايي دارد. در واقع انسلادوس يكي از انعكاسي‌ترين بدنه‌هاي منظومه شمسي است كه سال‌ها دانشمندان دليل آن را نمي‌دانستند.

ازآنجاكه انسلادوس بخش زيادي از نور خورشيد را منعكس مي‌كند دماي سطحي آن به‌شدت پائين است وبه منفي ۲۰۱ درجه سانتي‌گراد مي‌رسد. انسلادوس در فاصله ۲۳۸ هزار كيلومتري از زحل بين مدار دو قمر ديگر ميماس و تتيس قرار دارد. اين قمر نسبت به زحل داراي قفل جزر و مدي است و در متراكم‌ترين بخش حلقه E زحل تقريباً ۳۲.۹ ساعت طول مي‌كشد تا يك مدار را كامل كند.

فضاپيماي كاسيني ناسا در سال ۲۰۰۵، ذرات يخ آب و گاز منتشرشده از سطح انسلادوس با سرعت تقريبي ۴۰۰ متر بر ثانيه را آشكار كرد. به انديشه متخصصين مي‌رسد اين فوران‌ها پيوسته هستند و هاله‌اي عظيم از غبار يخي را در اطراف انسلادوس به وجود آورده‌اند كه مواد حلقه E زحل را شكل مي‌دهند. تنها بخش كوچكي از اين مواد وارد حلقه مي‌شوند و بخش زيادي از آن‌ها به شكل برف روي سطح انسلادوس فرود مي‌آيند. به همين دليل اين ماه از سطح سفيد و درخشاني برخوردار است.

يخ‌فشان‌هاي انسلادوس از شكاف‌هاي نسبتاً گرمي در پوسته آن سرچشمه مي‌گيرند كه دانشمندان به آن‌ها نوارهاي ببري مي‌گويند. گاز‌هاي متعددي مثل بخار آب، كربن دي‌اكسيد، متان و شايد اندكي آمونياك و كربن مونوكسيد و نيتروژن همراه ‌با نمك و سيليكا پوشش گازي كانال‌هاي يخفشان انسلادوس را تشكيل مي‌دهند. تراكم مواد زيستي در يخفشان‌ها بيست برابر بيشتر از انتظار دانشمندان است.

دانشمندان براساس اندازه‌گيري‌هاي اثر داپلر و دامنه لرزش بسيار اندك انسلادوس در حين چرخش آن به دور به اقيانوس سراسري زير سطح اين ماه پي بردند. آن‌ها معتقدند ضخامت پوسته يخي انسلادوس در قطب جنوب آن نزديك به ۱ تا ۵ كيلومتر است. ضخامت ميانگين سراسر پوسته بين ۲۰ تا ۲۵ كيلومتر است.

ازآنجاكه اقيانوس انسلادوس از يخفشان برخوردار است و يخ‌فشان‌ها حلقه E زحل را تشكيل مي‌دهند، مطالعه حلقه E مي‌تواند به‌معني مطالعه اقيانوس انسلادوس باشد. بخش زيادي از حلقه E را قطعات يخي تشكيل مي‌دهند اما در ميان آن‌ها مي‌توان ذرات بسيار كوچك سيليكا را هم پيدا كرد. اين ذرات هنگامي به وجود مي‌آيند كه آب مايع و سنگ در دماهاي بالاي ۹۰ درجه سانتي‌گراد با يكديگر واكنش دهند. اين نشانه ديگري از وجود كانال‌هاي گرم آبي زير پوسته يخي انسلادوس است كه بي‌شباهت به كانال‌هاي گرم آبي اقيانوس‌هاي زمين نيست. انسلادوس با ويژگي‌هايي مثل اقيانوس سراسري، شيمي منحصربه‌فرد و گرماي داخلي يكي از كانديدهاي اصلي حيات در منظومه شمسي است.

ياپتوس سومين قمر بزرگ زحل و يازدهمين قمر بزرگ در كل منظومه شمسي است. جواني كاسيني اين قمر را در ۲۵ اكتبر ۱۶۷۱ كشف كرد. بااين‌حال ياپتوس براي ستاره‌شناسان به شكل نقطه‌اي ديده مي‌شد كه درخشش آن در طول دوره‌ي مداري زحل تغيير مي‌كرد. كاوشگرهاي وويجر ۱ و ۲ در دهه‌ي ۸۰ ميلادي از منظومه‌ي زحلي و اين قمر بازديد كردند و ويژگي‌هاي عجيب آن را آشكار كردند. قطر ياپتوس به ۷۳۶ كيلومتر مي‌رسد. سه چهارم ياپتوس مانند رئا، ديگر قمر زحل از يخ و يك چهارم آن از سنگ تشكيل شده است.

براساس دو ادعا ياپتوس، قمر زحل، در فهرست قمر‌هاي عجيب منظومه شمسي قرار مي‌گيرد. اين قمر سال ۱۶۷۱ كشف شد و يك سمت آن كم‌نورتر از سمت ديگرش است. بخشي از نيم‌كره آن كه رو به مدار زحل قرار دارد، به رنگ قهوه تيره است؛ درحالي‌كه نيم‌كره ديگر آن خاكستري روشن است. براساس انديشه متخصصينيه‌اي در توجيه تفاوت رنگي اين قمر، سمت رو به زحل با غباري پوشيده شده است كه براثر برخوردهاي كوچك شهاب‌سنگي روي ديگر قمر‌هاي كوچك خارجي زحل منتشر شده‌اند.

دراين‌ميان، تصاوير كاسيني داستاني پيچيده‌تر را روايت مي‌كنند. اغلب مواد تيره سطح ياپتوس از داخل اين قمر سرچشمه مي‌گيرند و با تصعيد يخ غبارآلود از سطح قمر (تبديل جامد به بخار) رگه‌هاي تيره را به‌جاي مي‌گذارند. اين فرايند احتمالاً با انباشته‌شدن غبار قمر‌هاي خارجي آغاز مي‌شود.

همچنين، ياپتوس سلسله كوهستاني به ارتفاع ۱۳ كيلومتر و عرض بيست كيلومتر در استوا دارد كه ظاهر متمايز گردومانند به آن بخشيده است. منشأ اين سلسله كوهستاني مشخص نيست. براساس برخي انديشه متخصصينيه‌ها، اين كوهستان فسيلي از زمان چرخش سريع‌تر ياپتوس است كه در قسمت استوا سر برآورده؛ درحالي‌كه برخي ديگر معتقدند اين كوهستان حاصل سنگ‌ريزه‌هايي از منظومه حلقوي كهن اطراف اين قمر بوده كه دچار فروپاشي شده و روي سطح فرود آمده است.

هايپريون بزرگ‌ترين قمرنامنظم غيركروي زحل است. شعاع متوسط آن ۱۳۵ كيلومتر است اما ازآنجاكه اين قمر سيب‌زميني شكل است، شكل آن را مي‌توان براساس قطر آن در راستاي سه محور توصيف كرد. هايپريون ظاهر عجيبي دارد: سطح آن مانند اسفنج يا مرجاني با حفره‌هاي تيره و شيارهاي تيز است كه از يخ و سنگ‌هاي روشن‌تر تشكيل شده‌اند. بااين‌حال، اين تنها ويژگي عجيب هايپريون نيست: هايپريون اولين كشف از نوع قمر‌هاي غيركروي بود و مداري مختلف‌المركز دارد.

چرخش هايپريون با دوره مداري آن منطبق نيست و در الگويي نامنظم به دور زحل مي‌چرخد؛ به‌طوري‌كه محور چرخش آن به‌طور پيش‌بيني‌نشدني نوسان مي‌كند. هايپريون هم مانند ديگر قمر‌هاي منظومه شمسي از يخ آب تشكيل شده است؛ اما سطح آن به شكل عجيبي تيره است. براساس تخمين‌هاي فضاپيماي كاسيني، چگالي هايپريون ۵۵ درصد چگالي آب است؛ درنتيجه، بخش زيادي از فضاي داخلي آن خالي است.

براساس انديشه متخصصينيه‌اي محبوب، يكي از دلايل ويژگي‌هاي عجيب هايپريون آن است كه اين قمر بازمانده قمري بزرگ‌تر بوده است كه احتمالاً بين تايتان و ياپتوس قرار داشته و براثر برخورد با دنباله‌داري عظيم نابود شده است. مواد باقي‌مانده مجددا متراكم شدند و هايپريون را تشكيل دادند.

كاوشگرهاي وويجر با ثبت تصاويري دقيق از ميماس قمر زحل در دهه ۱۹۸۰ دانشمندان را در شوك فرو بردند. اين قمر شباهت زيادي به ستاره مرگ در فيلم علمي‌تخيلي جنگ ستارگان دارد. دهانه برخوردي بزرگي يكي از نيم‌كره‌هاي اين قمر را پوشانده است و دقيقاً هم‌اندازه و شبيه به بشقاب ليزري نابودكننده‌اي است كه جورج لوكاس به آن اشاره كرده بود؛ اما ميماس بيش از يك عنصر فرهنگ عامه است.

ميماس داخلي‌ترين قمر زحل است كه در مداري نزديك‌تر از انسلادوس و دورتر از پان و اطلس به دور زحل مي‌چرخد. قطر اين قمر به ۳۹۶ كيلومتر مي‌رسد؛ به‌همين‌دليل، كوچك‌ترين جرم منظومه شمسي با شكل كروي است.

دهانه برخوردي هرشل در سطح ميماس. نام اين دهانه برخوردي برگرفته از نام ويليام هرشل است كه سال ۱۷۸۹ اين قمر را كشف كرد.

پان و اطلس هر دو از داخلي‌ترين قمرهاي زحل هستند. اطلس در لبه‌ي خارجي حلقه‌ي A به دور زحل مي‌چرخد. تقريباً ۱۴/۴ ساعت طول مي‌كشد تا اطلس مدار زحل را كامل كند اين مدت براي پان ۱۳/۸ ساعت است. پان و اطلس قمر‌هاي زحل كوچك‌ترين قمر‌هاي منظومه شمسي هستند. اين قمر‌ها با وجود اندازه كوچك مي‌توانند بر منظومه حلقه زحل تأثير بگذارند. اين دنياهاي كوچك را شايد بتوان بهترين نمونه‌هاي شناخته‌شده از قمر‌هاي چوپان برشمرد. قمر‌هاي چوپان قمرواره‌هاي كوچكي هستند كه در منظومه‌هاي حلقه‌اي سياره‌هاي غول‌آسا قرار دارند. همان‌طوركه از نامشان پيدا است، اين قمر‌ها به ذرات موجود در سيستم زحل كمك مي‌كنند كنار يكديگر قرار بگيرند و در‌عين‌حال، ذرات ديگر را پاك‌سازي مي‌كنند

پان عامل ايجاد شكاف انكه (Encke Gap) است؛ تفكيك برجسته‌اي كه در حلقه درخشان A ديده مي‌شود؛ درحالي‌كه اطلس خارج از حلقه A قرار دارد. مهم‌ترين ويژگي هر دو قمر سطح هموار آن‌ها است كه مانند بشقاب‌پرنده يا گردو به‌انديشه متخصصين مي‌رسند. بوني بوراتي از آزمايش پيشرانش جت ناسا معتقد است اين قمر‌ها در پوششي از ذرات كوچك قرار دارند و فضاي بين حلقه‌ها را پاك‌سازي مي‌كنند.

پان و اطلس به شكل بشقاب‌پرنده

رئا دومين قمر بزرگ زحل است اما ميانگين شعاع آن به يك سوم شعاع تايتان، بزرگ‌ترين ماه زحل است. رئا دنياي كوچك، سرد و بدون هوا است كه شباهت زيادي به قمرهاي خواهد خود يعني ديون و تتيس دارد. رئا هم مانند دو قمر ديگر داراي قفل جزر و مدي نسبت به زحل است به اين معني كه هميشه يك سمت آن از زحل ديده مي‌شود. ۴.۵ روز زميني طول مي‌كشد تا رئا مدار زحل را كامل كند. دماي سطح رئا مشابه دماي ديون و تتيس است كه در نواحي خورشيدي به منفي ۱۷۴ درجه‌ي سانتي‌گراد و در نواحي سايه به منفي ۲۲۰ درجه‌ي سانتي‌گراد مي‌رسد. رئا هم مانند ديون و تتيس قابليت بازتابي زيادي دارد و نشان مي‌دهد تركيب سطح آن عمدتا از يخ آب است.

رئا در فاصله‌ي ۵۲۷ هزار كيلومتر از زحل قرار دارد و قدري از ديون و تتيس دورتر است. فضاپيماي كاسيني در سال ۲۰۱۰ جوي بسيار نازك موسوم به اگزوسفر را در اطراف رئا كشف كرد كه تركيبي از اكسيژن و كربن دي‌اكسيد است. كاسيني همچنين در سال ۲۰۰۸ نشانه‌هايي از موادي را در مدار رئا كشف كرد. اين اولين كشف حلقه در اطراف يك قمر بود.

ديون قمر كوچكي با شعاع ميانگين ۵۶۲ كيلومتر است كه هر ۲/۷ روز يك بار مدار زحل را كامل مي‌كند. اين قمر در فاصله‌ي ۳۷۷ هزار كيلومتري از زحل قرار دارد كه دقيقاً برابر با فاصله‌ي ماه و زمين است. چگالي ديون ۱/۴۸ برابر آب مايع است درنتيجه يك سوم از ديون را هسته‌اي چگال (احتمالاً از سنگ سيليكات) تشكيل مي‌دهد و بقيه‌ي آن از يخ است.

پودرهاي يخي بسيار ريزي (مشابه دود) از حلقه‌ي E زحل سطح ديون را بمباران مي‌كنند. غبار حلقه‌ي E از قمر يخي انسلادوس تشكيل شده است. سطح ديون پر از دهانه‌هاي برخوردي است به‌طوري‌كه قطر دهانه‌هاي آن به ۱۰۰ كيلومتر هم مي‌رسد.

تتيس پنجمين قمر بزرگ زحل است. ميانگين شعاع آن به ۶۳۳ كيلومتر مي‌رسد. اين قمر سرد و بدون هوا شباهت زيادي به قمرهاي خواهر خود يعني ديون و رئا دارد. البته با اين استثنا كه تتيس مانند دو قمر ديگر دهانه‌هاي برخوردي زيادي ندارد. بخش زيادي از تتيس از يخ آب تشكيل شده و بخش كوچكي از آن را سنگ تشكيل مي‌دهد.

تتيس داراي قابليت بازتابي زيادي است و همين ويژگي نشانه‌اي ديگر بر تركيب يخي آن است. دماي ميانگين تتيس به منفي ۱۸۷ درجه‌ي سانتي‌گراد مي‌رسد. تتيس در آسمان شب مانند نقطه‌اي كوچك به انديشه متخصصين مي‌رسد و پس از بازديد كاوشگرهاي وويجر ماهيت واقعي آن آشكار شد. ۴۵/۳ ساعت طول مي‌كشد تا تتيس مدار زحل را كامل كند.

طوفان شش وجهي: قطب شمال سياره زحل داراي ويژگي جذابي به نام جريان بادي شش‌وجهي است. اين الگوي شش وجهي در ابتدا از تصاوير ارسال فضاپيماي وويجر مشاهده شد و سپس از فاصله‌ي نزديك‌تر توسط كاسيني رصد شد. اين شش وجهي كه قطر آن به ۳۰٬۰۰۰ كيلومتر مي‌رسد يك جريان مواج است كه سرعت بادهاي آن به ۳۲۲ كيلومتر بر ساعت مي‌رسد و يك طوفان هم در مركز آن قرار گرفته است. اين طوفان در كل منظومه شمسي منحصربه‌فرد است. در قطب جنوب زحل هم شواهدي مبني بر وجود جريان طوفاني وجود دارد اما هيچ موج شش وجهي ديده نمي‌شود. براساس گزارش‌هاي ناسا از كاسيني در نوامبر ۲۰۰۶، يك طوفان گردباد مانند در قطب جنوب زحل مشاهده شده است.

كاهش حلقه‌ها: براساس پژوهش‌هاي ناسا، حلقه‌هاي سياره زحل از زمان بازديد كاوشگرهاي وويجر از اين سياره با سرعتي حداكثري در حال كاهش هستند. اين حلقه‌ها بر اثر جاذبه و تحت تأثير ميدان مغناطيسي زحل به سمت اين سياره جذب شدند. به گفته‌ي دانشمندان در طي سيصد ميليون سال حلقه‌هاي زحل كاملاً از بين خواهند رفت از طرفي براساس يافته‌هاي كاسيني حلقه‌هاي زحل نسبتاً جوان هستند و عمر آن‌ها كمتر از صد ميليون سال است. درنتيجه حلقه‌هاي زحل در مقايسه با عمر اين سياره (۴ ميليارد سال) بسيار جوان‌تر هستند.

فصل‌هاي طولاني: زحل هم مانند زمين از تغييرات فصلي برخوردار است اما فصل‌هاي زحل با فصل‌هاي زمين يك تفاوت عمده دارند. يك سال طول مي‌كشد تا زمين مدار خورشيد را كامل كند در اين مدت زمين فصل‌هاي سرد و گرم را تجربه مي‌كند. اما ازآنجاكه زحل از خورشيد دورتر است ۲۹ سال زميني طول مي‌كشد تا مدار خورشيد را كامل كند. درنتيجه يك سال زحل برابر است با ۲۹ سال زميني. بنابراين فصل‌ها هم طولاني‌تر مي‌شوند و طول مدت هر فصل زحلي تقريباً هفت سال است.

باران الماس: ازآنجاكه ساختار داخلي زحل كاملاً با ساختار زمين متفاوت است، باران‌هاي آن از آب تشكيل نشده‌اند بلكه از جنس الماس‌اند. به گفته‌ي دانشمندان سالانه ده ميليون تن الماس در جو زحل توليد مي‌شود. اين پديده به لطف تركيب گاز متان (CH4) با فعاليت‌هاي بادي اين سياره به وجود مي‌آيد. پرتوهاي زحل دماي بالايي دارند و ۱۰ هزار بار قوي‌تر از پرتوهاي زميني هستند و وقتي منتشر مي‌شوند پيوندهاي مولكولي را شكسته و هيدروژن و كربن را جدا مي‌‌كنند.

اتم‌هاي كربن به يكديگر مي‌پيوندند و مولكول‌هاي بزرگ‌تري را توليد مي‌كنند كه به تركيبي دوده‌مانند مي‌انجامد. اين ابر سياه با الماس فاصله دارد اما داستان به همين‌جا ختم نمي‌شود. مولكول جديد نسبتاً سنگين است و وقتي در دام جاذبه‌ي سياره گرفتار شود به سمت پائين سقوط مي‌كند. با سقوط در اعماق بيشتر دما و فشار واردشده بر مولكول‌ها هم افزايش مي‌يابد. اين شرايط منجر به دگرگوني كربن مي‌شوند. در ابتدا كربن به گرافيت تبديل مي‌شود. همان ماده‌اي كه داخل مدادهاي شما است و سپس به الماس‌هايي با قطر يك سانتي‌متر تبديل مي‌شود و سقوط آن‌ها ادامه مي‌يابد.

رصد و اكتشافات سياره زحل را مي‌توان به سه فاز تقسيم كرد. اولين دوره رصدهاي باستاني (از جمله رصد با چشم غيرمسلح) قبل از اختراع تلسكوپ است. از قرن هفدهم مشاهدات پيشرفته‌ي تلسكوپي مستقر در زمين آغاز شدند. سياره زحل براساس تاريخ‌هاي مكتوب، يكي از عناصر اصلي بسياري از اساطير بوده است. ستاره‌شناس‌هاي بابلي به صورت سيستماتيك به رصد و ثبت حركت‌هاي زحل مي‌‌پرداختند.

سومين فاز، بازديد كاوشگرهاي فضايي بود، هم‌زمان با اين دوره رصدهاي مستقر در زمين (از جمله با تلسكوپ فضايي هابل) هم ادامه يافت. براي ديدن حلقه‌هاي زحل نياز به تلسكوپي با حداقل قطر ۱۵ ميلي‌متر است. كريستين هويگنس در سال ۱۶۵۹ توانست به اين موفقيت دست پيدا كند. قبل از آن گاليله با تلسكوپ اوليه‌ي خود زحل را رصد كرده بود و تصور مي‌كرد زحل كاملاً كروي نيست. تا اينكه هويگنس با تلسكوپي پيشرفته‌تر توانست براي اولين‌ بار حلقه‌هاي زحل را رصد كند. هويگنس همچنين تايتان، قمر بزرگ زحل را كشف كرد. بعدها جواني دومنيكو كاسيني چهار قمر ديگر از زحل را كشف كرد: ياپتوس، رئا، تتيس و ديون.

ويليام هرشل در سال ۱۷۸۹ دو قمر ديگر ميماس و انسلادوس را كشف كرد. تيمي بريتانيايي هم هايپريون را در سال ۱۸۴۸ كشف كردند. ويليام هنري پيكرينگ در سال ۱۸۹۹ قمر فوبه را كشف كرد كه قمري نامنظم است و كاملاً هماهنگ با زحل و ديگر قمرهاي آن نمي‌چرخد. در قرن بيستم، پژوهش‌هاي تايتان وجود جو ضخيم اين قمر را اثبات كردند.

در دوران مدرن، رصدهاي تلسكوپ فضايي هابل ادامه يافت. فضاپيماي پايونير ۱۱ اولين فضاپيمايي بود كه از فاصله‌ي نزديك موفق به رصد زحل شد، بعدها وويجر ۱ و ۲ مشاهدات دقيق‌تري را ارائه دادند. اما كاسيني تنها مدارپيمايي بود كه اطلاعات دقيق‌تر و جامع‌تري را در مورد زحل ارائه داد و كاوشگر اين فضاپيما به نام هويگنس براي اولين بار در سال ۲۰۰۵ روي سطح تايتان فرود آمد.

پايونير يازده براي اولين بار در سپتامبر ۱۹۷۹ از فاصله‌ي ۲۰ هزار كيلومتري ابرهاي فوقاني سياره زحل عبور كرد. پايونير يازده از زحل و چند قمر آن عكاسي كرد گرچه كيفيت عكس‌ها پائين هستند و جزئيات زيادي را نشان نمي‌دهند. اين فضاپيما همچنين به مطالعه حلقه‌هاي زحل پرداخت و حلقه‌ي نازك F را آشكار كرد.

همچنين پايونير ۱۱ نشان داد شكاف‌هاي تيره در حلقه‌هاي زحل در صورتي كه از زاويه‌ي فازي بالا (به سمت خورشيد) ديده شوند، درخشان به انديشه متخصصين مي‌رسند و حاوي مواد پراكنده‌كننده‌ي نور هستند. يكي ديگر از دستاوردهاي پايونير در كاوش زحل، اندازه‌گيري دماي تايتان بود.

تصوير نه‌چندان با كيفيت پايونير ۱۱ از سياره زحل

كاوشگر وويجر ۱ در نوامبر ۱۹۸۰ از منظومه‌ي زحلي بازديد كرد. اين كاوشگر اولين تصاوير با كيفيت را از اين سياره، حلقه‌ها و قمرهاي آن منتشر كرد. ويژگي‌هاي سطحي قمرهاي سياره زحل براي اولين بار توسط وويجر آشكار شدند. وويجر ۱ به قمر تايتان نزديك شد و اطلاعات زيادي را درباره‌ي جو اين قمر ارسال كرد. براساس داده‌هاي اين كاوشگر جو تايتان در طول موج‌هاي مرئي غيرقابل نفوذ است درنتيجه هيچ‌كدام از جزئيات سطحي آن ديده نشدند.

تقريباً يك سال بعد در اوت ۱۹۸۱، كاوشگر وويجر ۲ مطالعه منظومه‌ي زحلي را ادامه داد. تصاوير دقيق‌ بيشتري از قمرهاي زحل و همچنين شواهدي از تغييرات جوي و حلقه‌هاي آن ارسال شدند. متأسفانه دوربين قابل چرخش اين كاوشگر در طول مطالعه زحل به مدت چند روز از كار افتاد و بسياري از چشم‌اندازها ثبت نشدند. اپراتورها از جاذبه‌ي زحل براي تغيير مسير فضاپيما به سمت اورانوس استفاده كردند. دو كاوشگر وويجر تعدادي از قمرهاي نزديك و داخل حلقه‌هاي زحل و همچنين شكاف كوچك مكسول (شكافي در حلقه‌ي C) و شكاف كيلر (شكافي عريض و ۴۲ كيلومتري در حلقه‌ي A) را كشف كردند.

تصوير ثبت شده توسط وويجر ۲

فضاپيماي كاسيني از ۳۰ ژوئن ۲۰۰۴ گردش خود به دور سياره زحل را آغاز كرد و تا ۱۵ سپتامبر ۲۰۱۷ به مأموريت خود ادامه داد، عمر اين كاوشگر با برخورد به جو اين سياره به پايان رسيد. نابودي كاسيني عمدي و براي اطمينان از آلوده نشدن احتمالي قمر‌هاي انسلادوس و تايتان بود. از دستاوردهاي كاسيني مي‌توان به كشف يخ‌فشان‌هاي انسلادوس و كشف قمرهاي جديدي براي زحل اشاره كرد. كاسيني پروژه‌ي مشترك سازمان‌هاي فضايي متعدد بود و درمقابل كاوشگرهاي قديمي‌تر و بزرگتر ناسا از جمله پايونير و وويجر قرار مي‌گرفت. شركاي كاسيني، ناسا، سازمان فضايي اروپا و سازمان فضايي ايتاليا بودند.

كاسيني اولين فضاپيمايي بود كه كاملاً به مطالعه زحل و سيستم حلقه‌هاي آن اختصاص يافت. نام اين مدارپيما از جواني كاسيني، ستاره‌شناس قرن هفدهم گرفته شد. كاسيني مستقيم به سمت زحل پرتاب نشد. بلكه مأموريت‌ آن كمي پيچيده‌تر بود. قبل از رسيدن به زحل سياره‌هاي زهره (دوبار) ، زمين و مشتري را مطالعه كرد و به اين صورت از جاذبه‌ي هر سياره براي افزايش سرعت خود استفاده كرد. اين فضاپيماي ۵۷۰۰ كيلوگرمي در ۱۵ اكتبر ۱۹۹۷ به فضا پرتاب شد. در آوريل ۱۹۹۸ به زهره رسيد، در آگوست ۱۹۹۹ به زمين و در دسامبر ۲۰۰۰ به مشتري رسيد.

در اين مدت كوتاه، پژوهشگرها تصاويري از سطح و همين‌طور اطلاعاتي در مورد گازها و وضعيت بادهاي موجود در جو و سطح تايتان به دست آوردند. كاسيني دو قمر جديد براي زحل كشف كرد همچنين به وجود آب مايع روي سطح انسلادوس و يخ‌فشان‌هاي آن پي برد. جزئيات بيشتري را هم در مورد درياچه‌ي متان تايتان منتشر كرد. از ديگر اكتشافات كاسيني مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

• خاكريزه‌هاي ۸۰ كيلومتري سطح ياپتوس
• نماي نزديك از قمر رئا و دهانه‌هاي برخوردي آن.
• كشف يك حلقه‌ي بزرگ در فاصله‌ي تقريبي ۱۲ ميليون كيلومتري زحل كه احتمالاً از ذرات قمر فوبه تشكيل شده است

منتخبي از تصاوير ثبت شده توسط فضاپيماي كاسيني هويگنس

آخرين داده‌هاي كاسيني در تاريخ ۱۵ سپتامبر ۲۰۱۷ به زمين مخابره شدند؛ سپس اين كاوشگر بر اثر برخورد با جو زحل منهدم شد. اين آخرين چرخش كاسيني به دور زحل پس از ۱۳ سال كاوش و مطالعه آن بود. به گفته‌ي متخصص كارشناسان ناسا، كاسيني ۴۵ ثانيه پس از آخرين مخابره‌ي خود به دليل گرما و اصطكاك ناشي از سقوط متلاشي شده است.

در فاصله‌ي كوتاهي پس از متلاشي شدن كاسيني، اريك استارم، برنامه‌ريز مأموريت‌هاي آن به برنامه‌ي خود در مورد گزارش تجربيات خود و تيمش در اين مأموريت اشاره كرد. اين مأموريت به پايان رسيده است اما نتايج علمي آن تا ده‌ها سال بعد هم منتشر خواهند شد زيرا كل اطلاعات هنوز تحليل نشده‌اند.

از ميان طرح‌هاي پيشنهادي براي اكتشافات در سياره زحل، كاوشگر رباتيك دراگن فلاي به مرحله‌ي تصويب ناسا رسيده است. اين كاوشگر به شكل پهپادي است و به مطالعه صدها موقعيت در تايتان، قمر زحل خواهد پرداخت. همچنين به نمونه‌برداري و اندازه‌گيري تركيب مواد زيستي سطح تايتان و جستجوي حيات در اين قمر خواهد پرداخت. دراگن‌فلاي در سال ۲۰۲۶ پرتاب خواهد شد و سال ۲۰۳۴ به زحل مي‌رسد.