木卫二、木卫三和木卫四分别距离木星671000、1070000和1884000公里（417000、665000和1171000英里），并且各以3.55天、7.16天和16.69天绕木星公转一周。木星和它的4颗伽利略卫星就像是一个小太阳系，而这4颗卫星的发现使哥白尼的行星系统更为可信。
人们可以利用卫星来确定木星的质量之后，发现木星的质量低得惊人。木星的质量大约是地球的318.4倍，而体积却是地球的1400倍。如果木星所占的空间是地球的1400倍，为什么没有1400倍的地球物质，从而有1400倍的地球质量呢？答案是木星每部分的质量要比地球相同部分的质量小。换句话说，木星的密度比地球小。
事实上，木星的密度只有水的1.34倍，即只有地球密度的1/4。很明显，木星一定是由密度比岩石和金属小的物质构成的。
这4颗卫星本身则和月球差不多。4颗当中最小的是木卫二，直径大约是3120公里（1940英里），比月球略小一点。木卫一直径是3650公里（2270英里），差不多正好和月球一样大。木卫四和木卫三比月球大，木卫四的直径是4840公里（3010英里），木卫三是5250公里（3260英里）。
木卫三实际上是太阳系中最大的卫星，它的质量是月球的2.5倍。事实上，木卫三明显地大于水星，木卫四则跟水星差不多。然而，构成水星的物质密度要比木卫三大，结果木卫三只有水星质量的3/5。靠里的两颗卫星木卫一和木卫二和月球的密度差不多，所以必定是由岩石物质组成的。木卫三和木卫四的密度和木星相似，所以必然是由较轻的物质组成的。
考虑到木星远大于地球，对木星有4颗卫星而地球只有1颗卫星就不会感到惊奇了。事实上，如果木星的卫星没有那么多，或地球的卫星不是那么少，那才是一件令人奇怪事情。
4颗伽利略卫星合在一起是月球质量的6.2倍，但仅是它们所环绕的木星质量的1/4200。月球质量则是它所环绕的地球的1/81。
通常行星所拥有的卫星和自己比起来都非常小——如木星的卫星。在所有行星中，金星和水星根本没有卫星，尽管金星和地球大小差不多；火星有两颗，但是非常小；地球的卫星非常大，地球和月球几乎可以被看成是一对双行星。
在伽利略发现木星的4颗卫星之后，将近3个世纪，没有再发现任何木星的卫星，虽然这段时间内发现了别的行星的15颗卫星。
最后，1892年，美国天文学家E.E.巴纳德探测到了一个靠近木星的光点，非常暗淡，在木星光的闪耀下几乎无法看到。它就是木星的第五颗卫星，也是用眼睛观察发现的最后一颗卫星。从那以后，卫星都是通过从地球上或由探测器所拍摄的照片而发现的。
这第五颗卫星被命名为阿玛尔忒亚（中文名为木卫五。阿玛尔忒亚是希腊神话中的一个水中仙女，她被想象为曾在宙斯婴幼时哺过他奶）。这个名称直到20世纪70年代才被正式承认。
木卫五距离木星中心只有180000公里（112000英里），以11.95小时的周期运行。它比任何一颗伽利略卫星都更靠近木星，在那样近的距离上木星的光亮使得它黯然失色，这也是经过这么长的时间才发现它的一个原因。另一个原因是它的直径只有250公里（155英里），是最小的伽利略卫星的1/13，所以非常暗。
虽然如此，后来发现木星还有许多比木卫五还小因此也更暗的其它卫星。这些卫星大部分距离木星很远，远在任何一颗伽利略卫星的轨道之外。在20世纪，发现了8颗这样的外层卫星；第一颗在1904年，第八颗在1974年。在那时，这8颗卫星仅按它们的发现次序以罗马数字来表示，从木星Ⅵ到木星ⅩⅢ。
美国天文学家珀赖因于1904年12月发现了木星Ⅵ，1905年1月发现了木星Ⅶ。木星Ⅵ的直径大约是97公里（60英里），而木星Ⅶ的直径大约是32公里（20英里）。
木星Ⅷ于1908年被英国天文学家梅洛特发现，而美国天文学家尼科尔森1914年发现了木星Ⅸ，1938年发现了木星Ⅹ和木星Ⅺ，并于1951年发现了木星Ⅻ。这后面4颗的直径大约是24公里（15英里）。
最后，1974年9月10日，美国天文学家科瓦尔发现了木星ⅩⅢ，直径只有16公里（10英里）。
这8颗外层卫星可以分为两组。里面的4颗——Ⅵ、Ⅶ、Ⅹ和ⅩⅢ——平均距离木星1126万公里（700万英里）左右，大约是木星到木卫四的6倍，外面的4颗平均距离木星2253万公里（1400万英里），大约是里面4颗距离木星的2倍。
伽利略卫星都是在木星的赤道面上以几乎正圆形的轨道绕木星运行。这是可以预料到的情形，这是由木星对这些卫星的潮汐效应造成的（我将在下一章中进一步讨论这个问题）。如果某个卫星的轨道不在赤道面上（即轨道倾斜），或者不是正圆（即偏心圆），那么木星的潮汐效应会在一定的时间内将卫星拉回赤道面，并使其轨道变圆。
但是，潮汐效应和作用物的质量成正比，却随着距离的增加而迅速减弱，并和被作用物的大小成反比。因此尽管木星的质量很大，对很小的外层卫星却只有很弱的潮汐效应。这样，虽然有4颗卫星和木星的平均距离差不多，另外4颗又几乎都在另一个距离上，却没有碰撞的迫切危险。因为每一个轨道都有不同的斜角和不同的偏心率，所以，这些卫星在环绕行星的运行中永远不会和其它任何一个打交道。
在外层卫星中的那4颗靠外的卫星，它们的轨道倾斜的程度，简直可以说是把它们扭转得颠倒了过来。它们以反常的方式绕木星公转，也就是顺时针运行（从木星北极的上方看），而不像其它木星的卫星那样逆时针运行。
这些小的外层卫星可能是被俘获的小行星（我将在本章的后面加以论述），而它们不合常规的轨道可能是由于它们加入木星卫星系统的时间还不长，潮汐效应还没有来得及修正它们的轨道。此外，天文学家能够证明，如果一个卫星以反常的轨道接近行星，就比较容易被这颗行星俘获。
最近几年，所有木星的外层卫星都以冷僻的神话人物正式命名。离木星最远的卫星是木星Ⅷ，现在叫做帕西法厄（中文名木卫八）。它的轨道偏心率相当大，以致在轨道最远的那一点，离木星有3300万公里（2060万英里），是月球离地球最远时的80多倍。这是我们所知环绕行星的卫星当中距离最远的一颗。
木星Ⅸ称为西诺普（中文名木卫九）。它的平均距离稍大于木卫八，因此环绕木星一周的时间更长一些。木卫九环绕木星一周要758天，差不多相当于两年又一个月。我们所知道的其他卫星没有一颗有这样长的公转周期。
木星的形状和表面
木星本身的情况又是怎样的呢？1691年，J.D.卡西尼用他的望远镜研究木星，发现它不是一个光亮的圆而是一个相当确切的椭圆。从三维的角度来看，这一观察意味着木星不是一个圆球，而是一个扁球，很像一个橘子。
这实在令人惊讶，因为太阳和月亮（满月时）都是完美的光圆，因此似乎是完美的圆球。然而，牛顿的理论（当时还是非常新的）可以圆满地解释这种现象。我们在下一章里将会看到，一个旋转着的圆球有可能成为扁球。因为旋转会使圆球在赤道区域隆起而在两极之处扁平。旋转得愈快，就愈不像一个圆球。
因此，从赤道上的一点到赤道对过的另一点的直径（赤道直径）必然比从北极到南极的直径（极直径）长。木星的赤道直径，也就是通常在天文书中所给的直径，是142800公里，但是它的极直径只有134000公里。两者相差8800公里，大约是地球直径全长的2/3。这个差距除以赤道直径所得的数字叫扁率。木星的扁率是0.062，或者以分数来表示为1/16。
水星、金星和我们的月球，由于转动十分缓慢，所以没有可测量的扁率。太阳以中等的速率旋转，强大的引力吸引使它保持不太隆起，因此它也没有可测量的扁率。地球转动得快一些，有0.0033的很小的扁率。火星的转动速度中等，但使赤道保持不隆起的引力吸引比较小，所以它的扁率是0.052。
虽然木星的引力吸引比地球大得多，它的扁率却几乎是地球的19倍，因此我们可以估计，木星绕着它的轴旋转得相当快。事实确是如此。1665年，J.D.卡西尼追踪木星表面上稳定移动着的标志，发现木星自转周期不到10小时。（现在的数字是9.85小时，或2/5地球日）。
虽然木星自转周期比地球短得多，但木星的体积远大于地球。在地球赤道上的一个点，用24小时绕一整圈，所以它1个小时要走1670公里（1040英里）。木星赤道上的一个点，要用9.85小时转一整圈，1个小时要走45000公里（28000英里）。
J.D.卡西尼看到的那些斑点（后来也有一些天文学家观察到）一直在变化，因此似乎不是固体表面的一部分。这些天文学家所看到的很像是金星外围那样的云层，而那些斑点可能是各种风暴系统。另外还有平行于赤道的带色的条纹，这些可能是盛行风造成的。木星绝大部分是黄色的，而带色的条纹则变化不定，从橙色到褐色，有时带点白色、蓝色或灰色。
英国科学家胡克1664年首先看到木星表面上最引人注目的标志；到了1672年，J.D.卡西尼绘制木星图时，标明这个标志是一个大圆斑。这个斑在以后几年的木星图中也曾出现；但直到1878年，德国天文学家坦普尔才对它加以戏剧化的描述。当时他觉得那个斑很红，从那时以来，它一直以大红斑著称。其实它的颜色不断地随时间而变化，有时颜色非常暗淡，质量差的望远镜就会看不到。从地球上看，它是一个卵形物，从东至西长48000公里（30000英里）；由南至北宽13000公里（8000英里）。
有些天文学家怀疑大红斑是一个巨大的陆龙卷。事实上，木星体积和质量如此之大，竟使一些人怀疑木星可能比其他的行星热得多——热到接近炽热的程度。大红斑可能真是这样一个炽热的区域。然而，虽然木星的内部无疑是非常热的，但它的表面却并非如此。1926年，美国天文学家门泽尔证明，我们能看到的木星云层，温度是－135℃。
木星的物质
由于木星的密度低，所以木星必然富有密度比岩石和金属低的物质。
宇宙间最常见的物质通常是氢和氦。氢原子占全部原子的90%，氦原子占9%。这并不令人惊讶，因为氢原子是存在的最简单物质，而氦原子仅次之。在剩余的原子中，大部分是碳、氧、氮、氖和硫。氢原子和氧原子结合形成水分子；氢原子和氮原子结合形成氨分子。
这些物质的密度在正常情况下和水相等或者比水低。如果在强大的压力下，如在木星的内部，它们的密度可能会比水高。如果木星是由这些物质组成的话；倒是可以解释它的低密度。
1932年，一位德国天文学家维尔特研究从木星反射的光，发现某些波长被吸收了——正是会被氨和甲烷所吸收的波长。因此他推断，至少这两种物质存在于木星大气之中。
1952年，木星正从白羊座σ星前面通过时，两位美国天文学家鲍姆和科德仔细地观察了这一事件，发现当这颗星接近木星的球体时，它的光穿过了木星云层上方薄薄的大气。从光变暗的方式可以证实，这种大气主要是氢和氦。1963年，美国天文学家斯平拉德研究发现还有氖。
在地球的状况下，这些物质都是气体；如果木星结构的绝大部分是由这些物质组成的话，那么将木星叫做气体巨行星似乎非常合适。
第一批木星探测器是先驱者10号和先驱者11号，分别于1972年3月2日和1973年4月5日发射。先驱者10号于1973年12月3日通过木星，在木星可见表面上方仅136800公里（85000英里）。先驱者11号则在1年之后的1974年12月2日从木星上方仅42000公里（26000英里）的地方通过。它通过了木星北极的上方，于是人类第一次看见了木星的北极。接着又发射了一对更为先进的探测器。它们是旅行者1号和旅行者2号，分别于1977年的8月20日和9月5日发射，于1979年3月和7月通过木星。
这些探测器证实了以前对木星大气的推断。木星大气大部分是氢和氦，比例大约是10：1（正好是宇宙通常的状况）。有些成分在从地球上探测时没有测到，其中包括乙烷和乙炔（两者都是碳氢化合物、水、一氧化碳、磷化氢以及锗烷。
无疑，木星大气含有相当复杂的组成和化学性质，除非能够向木星大气中发射一枚探测器，并让探测器在木星大气中长期存留以发回足够的资料，否则对木星的大气不会有充分的了解。大红斑（正如大多数天文学家所猜测的）是一股巨大的飓风，比地球还要大而且几乎永久不衰。
整个木星似乎都是液体。温度随着深度迅速升高，强大的压力也会促使氢变成炽热的液体。在木星的中心可能有一个固态的白热的金属核心。（到目前为止，木星深处的状况在地球上仍无法复制，可能还需要一些时间才能对它作出肯定的推断。）
木星探测器
木星探测器在逼近4颗伽利略卫星的地方拍下了它们的照片，使人的眼睛第一次看到它们比普通的小圆盘略大一点。
后来得到关于它们的实际大小和质量的更精确的资料，尽管发现伽利略卫星中最里面的木卫一的真正质量比原来猜想的增加了1/4，可是也证明了以前的其他估计只需要一些小的修正。正如人们从木卫三和木卫四的低密度所能猜想的那样，木卫三和木卫四是由轻物质（如水）组成的。由于距离太阳遥远（同时因为是小天体，没有像木星或地球那样巨大的内热能），因而处于低温之下，使这些物质呈现固体状态而被称为冰。两个卫星上都散布着许多陨星坑。
木星的潮汐作用能把这些卫星加热，因为潮汐作用有反复弯曲卫星上物质的倾向，因而使物质摩擦生热。但潮汐作用随着距离的增加而迅速减小。木卫三和木卫四距离木星太远，潮汐生热极少，所以依然保持冰冻的状态。
木卫二离太阳比较近，在其历史上的某个早期阶段，由于太热无法聚集很多的冰；或者，即使聚集了很多冰，在那一段历史过程中，大部分已被融化、蒸发，散失到空间。（伽利略卫星的引力场太小，无法在潮汐生热时保留住大气。）可能是因为无法聚集大量的冰，或者是在聚集之后又失去，才使木卫二和木卫一明显地比木卫三和木卫四小。
但是木卫二仍然有足够的冰而形成一个全是海洋的世界（如同以前想象的金星那样）。在木卫二的温度下，这个海洋是一个冰川的世界。而且，这个冰川非常平滑（木卫二是天文学家们至今所看到的最平滑的固体世界），然而在它上面有纵横交错的细而暗的斑纹）使它看起来非常像洛威尔的火星图。
木卫二的表面冰川光滑而没有陨星坑的事实，使人们猜测在它的下面可能存在着由潮汐生热融化的液体水。陨星的碰撞（如果够大的话）可能击碎冰的表层，但是随后水将冒出而再冰冻，重新封住裂口。较小的碰撞可能造成短暂的裂缝；这些裂缝也可能是由潮汐效应或其他因素造成的。尽管如此，总的说来木卫二的表面一直保持平滑。
伽利略卫星中最靠近木星的木卫一得到的潮汐生热最多，因此很明显它是完全干燥的。就在探测器到达之前，人们仍然对它感到困惑。1974年，美国天文学家布朗报告说，木卫一被一层钠原子的黄霾所围绕。确实，木卫一运行的整个轨道上似乎弥漫着一层稀薄的霾，像是环绕木星的一条黄色的彩带。这些黄霾必定来自木卫一，但没人知道是怎样形成的。
先驱者号探测器证实，木卫一的确有一层稀薄的大气，密度约为地球的1/20000，后来旅行者号探测器解开了这个谜。旅行者号拍摄的照片表明，木卫一有活火山。除了地球上的活火山之外，这些是人们知道存在的仅有的活火山。很明显，岩石熔化的区域（被木星的潮汐作用所加热）潜伏于木卫一的表面之下，而在不同的地方以喷射钠和硫的方式穿过外壳，形成大气和轨道上的黄彩带。木卫一的表面覆盖了一层硫，使它的颜色由黄到褐。木卫一的环形山不多，因为大部分环形山被火山物质填满了。只有几个较暗的斑点表示一些新近出现的环形山尚未填充。
在木卫一轨道内侧的是木卫五，从地球上看它只不过是一个小光点。旅行者号探测器证实，同火星的两颗卫星一样，木卫五也是一个不规则的天体，但是比较大。它的直径变化在266～140公里（166～87英里）之间。
还发现了另外3颗卫星，每一颗都比木卫五更靠近木星，也都比木卫五小得多。它们是木星ⅩⅣ、木星ⅩⅤ和木星ⅩⅥ，据估计它们的直径分别是24、80和40公里（15、50和25英里）。在目前的条件下，由于它们太小和太靠近木星的光芒、从地球上无法看到这些卫星。
木星ⅩⅥ最靠近木星，距木星中心只有128700公里（80000英里）——也就是在木星云层表面上方仅58000公里（36000英里），它每7.07小时绕木星公转一周。木星ⅩⅣ只稍远一点儿，以7.13小时的周期绕木星公转。两者的公转都比自转快。所以如果从木星云层上看的话，将会发现两颗卫星都是西升东落。
在最内层的卫星轨道内，有一些岩屑，像是围绕着木星的一条零碎的又薄又稀的光环。由于光环太薄太稀，所以用一般的方法在地球上看不到。
土星
土星是古人所知道最远的一颗行星，它虽然距离我们很远，却相当地明亮。在最亮的时候，它可以达到－0.75星等，此时除了天狼星之外，比任何恒星都要亮。它的亮度也超过了水星，而且无论如何，它也比水星更容易观察，因为土星比我们距离太阳更远，不像水星那样只能保持在太阳的周围，以致无法在半夜的星空中出现。
土星与太阳的平均距离是14.3×108公里，是木星平均距离的1.833倍，绕太阳公转一周约需29.458年，与木星公转周期11.862年相比，土星年大约是木星年的2.5倍。
在许多方面，土星都亚于木星。就拿大小来说，它是太阳系中的第二大行星，次于木星。赤道直径为120000公里，仅为木星的5/6。由于土星体积比较小，距离太阳又比较远、因而照射到土星上的太阳光的强度仅为木星的一半，使土星比木星暗了许多。但是在另一方面，土星仍然大得足以使它有相当大的亮度。
土星的质量是地球的95.1倍，成为仅次于木星的第二个质量最大的行星。它的质量只有木星的3/10，而体积却为木星的6/10。
这样大的体积中只有这么少的质量，土星的密度一定非常低。确实，土星的密度仅是水的0.7倍，是我们知道的太阳系中密度最小的行星。如果我们设想能够用塑料布把土星包起来，以防止它融化或散开，然后将它放进一个能够容得下的海洋里，它将会浮在水面上！因此可以推测，土星较木星含有更多的氢，而其他的含量则较少。同时，由于土星的重力很弱，因此对组成它的物质也不能像木星压缩自己的物质那样压缩得那么紧。
虽然土星的体积较小，自转速度却很快，但比起木星还是慢了些；土星的自转周期是10.67天，所以土星日比木星日长8%。
尽管土星的自转比木星慢，但是土星外层的密度较低，吸住外层的引力吸引也较小。结果，土星在赤道附近隆起较大，而成为太阳系最扁的一颗行星。它的扁率为0.102，比木星扁1.6倍、比地球扁30倍。虽然土星的赤道直径有120000公里，而极直径却仅有108000公里，相差12000公里，几乎是地球直径的全长！
土星环
从另一个角度来看，土星反而独具丰姿。伽利略第一次透过他原始的望远镜观察土星时，发现它的形状有点奇怪，好像在其球体的两侧还有两个小球。他继续观察，发现那两个小球渐渐变得很难看见，到1612年年底时，终于同时消失不见了。
其他天文学家也报告过土星的这种奇怪现象；但直到1656年，惠更斯才提出了正确的解释。他宣称，土星外围环绕着一圈又亮又薄的光环；光环与土星不接触。
土星的自转轴和地球一样，也是倾斜的，土星的轴倾角是26.73°，地球则是23.45°。由于土星的光环和赤道是在同一平面上，所以它是对着太阳（也对着我们）倾斜的。当土星运行到其轨道的一端时，我们可由上往下看见光环近的一面，而远的一面仍被遮住。当土星在轨道的另一端时，我们就可由下往上看到光环近的一面，而远的一面依然被遮住。土星从轨道的这一侧转到另一侧需要14年多一点。在这段时间内，光环也逐渐由最下方移向最上方。行至半路时，光环恰好移动到中间位置，这时我们观察到光环两面的边缘连接在一起，状如“一条线”。随后，土星继续运行，沿着另一半轨道绕回原来的起点，这时光环又逐渐地由最上方向最下方移动；移到正中间时，我们又看见其边缘连接在一起。因为土星环非常薄，所以当光环状如“一条线”时就好像消失了一样。1612年年底伽利略看到的正是这种情景；据说由于懊恼，他没有再观察过土星。
1675年，J.D.卡西尼发现，土星环并不是一个完整的光环。在光环的周围有一条暗线，把光环分成内外两部分。外面的一部分比较窄，而且不如里面那一部分亮，看起来像是两个环套在一起。从那以后，土星环一直被认为是由几个环组成的（见图4-9）。这条暗线现在叫做卡西尼缝。
1826年，德国血统的俄国天文学斯特鲁维把外面的环命名为A环，把里面的环命名为B环。1850年，美国天文学家W.C.邦德宣称，还有一个比B环更靠近土星的暗淡光环。这个暗淡光环就是C环，C环与B环之间并没有明显的分界。
在太阳系的任何地方都没有像土星环那样的东西，或者说，用任何仪器我们也看不到任何地方有像土星环那样的光环。诚然，我们现在知道，围绕着木星有一个稀薄的物质光环，且任何像木星和土星这样的气体巨行星都可能有一个由靠近它们的岩屑构成的光环。然而，如果以木星的光环为标准，这些光环都是可怜而微不足道的，而土星的环系却是壮丽动人的。从地球上看，从土星环系的一端到另一端，延伸269700公里（167600英里），相当于地球宽度的21倍，实际上几乎是木星宽度的2倍。
土星环到底是什么呢？J.D.卡西尼认为它们像铁圈一样是平滑的实心环。可是，1785年拉普拉斯（后来他提出了星云假说）指出，因为环的各部分到土星中心的距离不同，所以受土星引力场吸引的程度也会不同。这种引力吸引的差异（即我前面提过的潮汐效应）会将环拉开。拉普拉斯认为，光环是由一系列的薄环排在一起组成的，它们排列得如此紧密，以致从地球的距离看去就如同实心的一样。
可是，1855年，麦克斯韦（后来他预言了电磁辐射宽频带的存在）提出，即使这种说法也未尽圆满。光环受潮汐效应而不碎裂的惟一原因，是因为光环是由无数比较小的陨星粒子组成的，这些粒子在土星周围的分布方式，使得从地球的距离看去给人以实心环的印象。麦克斯韦的这一假说是正确的，现在已无人提出疑义。法国天文学家洛希用另一种方法研究潮汐效应，他证明，任何坚固的天体，在接近另一个比它大得多的天体的时候，都会受到强大的潮汐力作用而最终被扯成碎片。这个较小的大体会被扯碎的距离称为洛希极限，通常是大天体赤道半径的2.44倍。
这样，土星的洛希极限就是2.44乘以它的赤道半径60000公里，即146400公里，A环的最外边缘至土星中心的距离是136500公里（84800英里），因此整个环系都处在洛希极限以内。（木星环也同样处在洛希极限以内。）
很明显，土星环是一些永远也不能聚结成一颗卫星的岩屑（超过洛希极限的岩屑会聚结成卫星——而且显然确实如此），或者是一颗卫星因某种原因过分靠近土星而被扯碎后留下的岩屑。无论是哪一种情况，它们都是余留的一些小天体。（被作用的天体越小，潮汐效应也就越小，碎片小到某个程度之后，就不再继续碎裂了，除非两个小天体相互间偶尔碰撞。）据估计，如果将土星环所有的物质聚合成一个天体，结果将会是一个比我们的月亮稍大的圆球。
土星的卫星
土星除了光环之外，也和木星一样拥有一族卫星。1656年，在发现土星光环的同一年，惠更斯第一次发现了土星的一颗卫星。两个世纪以后，这颗卫星才被命名为提坦（中文名土卫六）。在希腊神话中提坦是一个神族，称为提坦诸神，萨图耳努斯（土星的命名）就是希腊神话中的克罗诺斯，他也属于这个神族。土卫六的体积很大，和木卫三的大小差不多，但密度比木卫三小，所以它们彼此的质量相差甚远；尽管如此，土卫六无论在质量或是直径上，仍然是太阳系中的第二大卫星。
有一点土卫六至今仍居同类的首位。虽然土卫六的表面重力很小，但是由于它比木星的卫星离太阳更远，因而也更冷，所以它能更好地保留住那些因受冷而变得不活跃的气体分子。1944年，在德国出生的美国天文学家柯伊伯探测到了土卫六周围的不可否认的大气，并发现大气中含有甲烷。甲烷是地球上天然气中的主要成分，它的分子（CH4）是由1个碳原子和4个氢原子结合而成的。
在发现土卫六的时候，已经知道的其他卫星共有5颗，它们分别是月球和木星的4颗伽利略卫星，这5颗卫星大小都差不多，比起已知的行星来它们的大小都非常相似。然而，在1671－1684年期间，J.D.卡西尼又发现了不少于4颗土星的卫星，每一颗的直径都比伽利略卫星中最小的木卫二还要小得多。J.D.卡西尼发现的这些卫星中，最大的直径有1400公里（900英里），现已被命名为伊阿佩托斯（中文名土卫八），最小的直径只有1000公里（650英里），名为忒梯斯（中文名土卫三）。从此以后，人们知道了卫星可以是很小的。
到19世纪末的时候，土星卫星的数目已经增加到9颗。最后发现的第九颗被称为福柏（中文名土卫九），是由美国天文学家W.H.皮克林首先探测到的。它是目前已知的最远的一颗卫星，与土星的平均距离为1300万公里（800万英里）。土卫九以逆行的方向每549天绕土星公转一周。它也是最小的一颗卫星（因为小，自然就暗，所以这么晚才被发现），直径约为190公里（120英里）。
1979年～1981年，先驱者11号、旅行者1号和旅行者2号3枚探测器先后通过木星，奔向土星，为我们提供了精密观察土星本体、土星环和土星卫星的机会。
土卫六因为拥有自己的大气，当然是我们探测的主要目标。旅行者1号发射的无线电信号在通往地球的途中掠过土卫六的大气，一些信号能量被吸收了；根据吸收的具体成分来计算，结果发现，土卫六的大气意想不到的浓密。从地球上探测到的甲烷含量来估计，土卫六的大气密度和火星大气差不多。事实上并非如此。土卫六的大气密度是火星大气的150倍，大约是地球大气的1.5倍。
之所以会有这样令人惊讶的数字，是因为从地球上探测到的仅是甲烷，如果土卫六的大气中只有这一种成分的话，土卫六的大气会是稀薄的，但是，甲烷仅占土卫六大气全部含量的2%，其余的是氮，而氮气很难利用其吸收特征探测出来。
土卫六大气云雾弥漫，根本看不见固体表面。然而这种云雾却非常有趣。甲烷是一种容易聚合的分子，即能够自我结合成更大的分子。于是，科学家们随意推测，土卫六可能具有由相当复杂的含碳分子构成的海洋或泥沼。实际上，我们甚至可以自得其乐地想象，上卫六的表面覆盖着沥青，固体石油露出地面，甲烷和乙烷湖冒着气泡。
正如人们可以预想的那样，其余的土星卫星都有陨星碰撞的坑。9颗卫星中最内层的土卫一有一个坑非常大（相对于卫星的大小而言），可以想象，产生这个坑的撞击必定差一点儿把这整个星球粉碎。
土卫二在9颗卫星中排行老二，但它的表面相当平滑，可能是由于潮汐生热致使部分融化的结果。土卫七是一个最不圆的卫星，直径变化从110公里到190公里（70～120英里），形状看起来很像火星的卫星，但比它们大得多，正因为它足够大，所以人们认为，在其自身的引力作用下，土卫七应该变得相当圆。它现在之所以不圆，大概是新近分裂出来的缘故。
从1671年首次发现土卫八时起，土卫八就有自己的特色，在土星西侧时比在东侧时要亮5倍。因为土卫八总是保持一面朝向土星，所以它在上星的一侧时，我们看到的是它的半球，到了另一侧时，看到的是它的另一半球，由此人们自然会猜想，一半球对阳光的反照率是另一半球的5倍。旅行者1号传送回来的照片证实了这种猜想。由照片上可以看出。土卫八有明有暗，好像一面是冰，另一面却覆盖着暗色的尘土。这种差异的原因尚不清楚。
土星探测器也成功地发现了8颗小卫星，它们都太小，从地球上探测不到，这样就使土星的卫星总数增加到了17颗。最靠里的卫星距离土星中心仅137000公里（85000英里），高出土星的云层77000公里（48000英里），大约14.43小时绕土星公转一周。
在土卫一轨道的内侧，有两颗卫星异乎寻常地共轨，即两颗卫星共用同一轨道，绕着土星不停地互相追逐，这是我们知道的这种共轨卫星的第一个例子，它们距离土星中心150000公里（94000英里），公转周期为16.68小时。1967年法国天文学家多尔夫报告说，他在土卫一的轨道内侧发现了一颗新卫星，并命名为伊阿努斯（中文名土卫十）。他看到的可能是这共轨卫星中的一颗。因为在不同的时间会看到不同的卫星，致使他得出了错误的轨道资料。如今在土星卫星的名单上已不再使用伊阿努斯这个名字了。
其余的3颗新发现的卫星也呈现了前所未有的奇特现象。在很久以前被J.D.卡西尼发现的土卫四，被探测到还有一颗微小的共轨伴星，土卫四的直径是1120公里（700英里），而伴星土卫四-B的直径仅有32公里（20英里），并且保持在超前土卫四60°的位置环绕土星运行。结果，土星、土卫四和土卫四-B分别位于等边三角形的三个顶点上。这就是特罗央情形，我将在下面的叙述中解释其中的原因。
这种情形只有当第三个天体远远小于前两个天体时才可能发生。发生这种情形时，小的天体必须超前或落后大的天体60°。超前要在L-4位置，落后要在L-5位置。土卫四-B位于L-4位置。（英文字母L是为了纪念意大利出生的法国天文学家拉格朗日，1772年，他计算出这种位形在引力上是稳定的。）
接下来是土卫三，也是卡西尼卫星之一，它有两颗共轨伴星：土卫三-B在L-4位置，土卫三-C位于L-5位置。
很明显，土星的卫星家族是我们迄今所知太阳系中数目最多而且情况最复杂的一个。
土星环远比我们想象的复杂得多。从近距离的观察可以看出，它是由上百个甚至上千个的细环组成的，就像唱片上的沟槽一样，有些地方的暗纹像车轮的辐条一样垂直于环上。在更外层的地方还有一个好像是由三个缠绕在一起的小环组成的微弱光环。以上的这些现象迄今还无法解释。不过一般都认为，由于电效应，简单的引力解释一定会变得复杂起来。
最外围的行星
在望远镜尚未诞生的年代里，土星是人类所知道的最远而且移动最慢的一颗行星。它也是最暗的一颗行星，但它仍然是一星等的星。在人们知道行星存在以后的几千年中，似乎从来没有人想到，可能会有些行星离我们太远，因而太暗，我们无法看到。
天王星
虽然伽利略曾经指出，天上还有数以万计的星星亮度太小，不使用望远镜就看不到、但是可能存在着暗行星这件事并未引起人们的关注。
后来1781年3月13日，W.赫歇耳在测量恒星的位置时，在双子星座中看到了一个天体，不是一个光点，而是一个小光盘。起初他以为那是一颗遥远的彗星，因为在用望远镜观察时，除了行星之外只有彗星才会像圆盘。然而彗星是模糊的，而这颗星的轮廓非常清晰，而且，它在天空中相对于恒星背景的移动速度比土星还要慢，因此，这颗行星必定比土星更遥远更暗淡。这颗新的行星最终被命名为乌剌诺斯（中文定名为天王星，乌剌诺斯是古希腊神话中的天神，即萨图耳努斯之父）。
天王星与太阳的平均距离为2.9×109公里，差不多正好是土星到太阳平均距离的2倍。天王星比土星小，直径为51800公里，是地球直径的4倍。天王星的质量是地球的14.5倍，但只是土星质量的1/6.6，木星质量的1/22。
因为它距离遥远，体积也比较小，所以看上去比土星、木星暗得多。但是肉眼也不是完全不能看到。只要我们在黑暗的夜晚找一个适当的方位观察，即使不用望远镜也可以看到这颗微亮的星。
难道古代的天文学家们从来没发现过它吗？当然不是，只不过当时大家都认为行星应该是很亮的，因而对这样一颗非常暗的星没有在意罢了。即使人们连夜地观看它，也不会看到它的位置变化，因为它的移动太小了。再者，早期的望远镜也不太好，即使瞄准了正确的方向，也不会将天王星显现成一个清楚的小圆盘。
早在1690年时，英国的科学家弗拉姆斯蒂德在金牛座中列出了一颗星，还命名为金牛座34。以后天文学家们却找不到这颗星。天王星被发现后，它的轨道也被计算了出来、按今天已知的天王星轨道逆推回去，在弗拉姆斯蒂德时代，天王星确实在他所报告的金牛座34的位置上。半个世纪之后，法国的天文学家勒莫尼埃也曾在13个不同的时刻观察到天王星，并把它记在了13个不同的位置上，他误以为看到的是13颗不同的恒星！
对于天王星的自转周期，现在有两个相冲突的说法。通常都认为是10.82小时；但是，1977年有人提出是25小时。我们大概要等收到探测器的资料后才能确定⑤。关于天王星的自转有一点是可以肯定的，就是它的自转轴倾斜。倾斜角为98°，略大于直角。因此，在天王星每84年绕太阳公转一周的过程中，它看上去好像是在沿着自己的一侧滚动一样；它的两极每个极都是42年的连续光照，跟着是42年的连续黑夜。
天王星距离太阳遥远，这种情形对它并没有什么影响。如果地球这样自转的话，四季将会发生剧烈的变化，地球上能否出现生命就大可怀疑了。
W.赫歇耳在发现天王星之后，每隔一段时间都要观察它。1787年，他又发现了两颗命名为蒂坦尼亚（中文名天卫三）和奥伯龙（中文名天卫四）的卫星。1851年，英国的拉塞尔又发现了两颗更内层的卫星，分别起名为阿里尔（中文名天卫一）和昂布里尔（中文名天卫二）；最后，柯伊伯于1948年发现了第五颗卫星米兰达（中文名天卫五）⑥。
这些卫星全都在天王星的赤道面上绕天王星公转，所以不仅天王星，而且它的卫星系统，也像是在沿着自己的一侧滚动。它们绕天王星南北运行，而不像通常那样东西运行⑦。
天王星的卫星离天王星都很近，至少，我们所能看到的卫星中没有一个远的。５颗当中最远的是天卫四，它距离天王星中心586000公里（364000英里），仅是地球到月球距离的一半，天卫五距离天王星中心仅130000公里（80800英里）。
这些卫星的体积也都很小，没有一颗可以和伽利略卫星、土卫六或月球相提并论。最大的天卫四直径也不过1600公里（1000英里），而最小的天卫五直径只有240公里（150英里）。
在很长一段时间里，天王星的卫星系统似乎没有什么特别激动人心的东西；但是后来1973年，英国的天文学家G.泰勒计算出，天王星将通过一颗九等恒星SA0158687的前方。这一事件使得天文学家们兴奋不已，因为在天王星从这颗恒星前面通过的过程中，就在这颗恒星消失之前，恒星星光将会在一段时间里，穿过天王星的高层大气。同样，当这颗恒星从天王星后面出现时，恒星星光也将穿过天王星的高层大气。星光在穿透大气过程中的变化，可以清楚地告诉天文学家关于天王星大气的温度、压力和成分。这次掩星过程预计发生在1977年的3月10日。为了观察这次掩星，那天晚上，美国的天文学家埃利奥特和他的几位同事，乘飞机升上高空，以避开低空大气的畸变及遮掩效应。
在天王星到达这颗恒星之前，星光突然变暗大约7秒钟，随后又变亮了。在天王星继续接近恒星的过程中，又有4次变暗，每次都为1秒钟。在恒星从天王星的另一侧出现时，也发生了同样变暗的情况，只是顺序相反。解释这个现象的惟一方法，就是假设天王星也是被一些稀薄的光环围绕着，这些光环太薄、太疏、太暗，在地球上一般是看不到的。
在掩星期间对天王星的仔细观察，如1978年4月10日的一次观察，发现天王星共有9个光环，最里面的环和天王星中心相距40500公里（25200英里），最外面的环距离天王星中心49100公里（30500英里））整个环系都完全在洛希极限之内。
天王星的光环非常薄，非常疏，非常暗，我们可以计算出，天王星光环的亮度仅为土星环的1/3000000。无怪乎除了这种间接的方法外，用任何方法都看不到天王星的环。
后来，在木星的光环被发现以后，人们开始认为光环根本不是一种特殊的现象，大概所有的气体巨行星除了有很多颗卫星外，都有自己的环系。土星之所以特殊，并不是因为它具有环系，而是因为它的环系分布广泛而又非常明亮。
海王星
发现天王星后不久，就计算出了它的轨道。但是，经过几年的观察，发现它并没有完全按照算出的轨道运行。1821年，法国天文学家布瓦尔考虑了弗拉姆斯蒂德等人的观察结果，重新计算了天王星的轨道，但是天王星也不完全按照这条新的轨道运行。
