Đã có ba giai đoạn chính trong quan sát và thăm dò Sao Thổ. Kỷ nguyên đầu tiên đó là quan sát từ thời cổ đại (như bằng mắt thường), trước khi phát minh ra kính thiên văn. Bắt đầu từ thế kỷ XVII với sự phát triển của kính thiên văn đã thúc đẩy thiên văn quan sát từ mặt đất. Kỷ nguyên thứ ba đó là những chuyến thăm dò của tàu không gian, hoặc quay trên quỹ đạo hoặc bay qua. Trong thế kỷ XXI quá trình nghiên cứu tiếp tục với những quan sát từ Trái Đất (hoặc từ các vệ tinh quay quanh quỹ đạo Trái Đất) và tàu Cassini quay quanh Sao Thổ.

Quan sát từ thời cổ đại

Sao Thổ đã được biết đến từ thời cổ đại.[105] Trong thời kỳ này, nó là thiên thể xa nhất trong số năm hành tinh đã biết trong Hệ Mặt Trời (ngoại trừ Trái Đất) và cũng được gán cho nhiều nhân vật trong thần thoại các nền văn minh khác nhau. Các nhà thiên văn Babylon đã quan sát một cách có hệ thống và ghi chép lại chuyển động của Sao Thổ.[106] Trong thần thoại La Mã cổ đại, thần Saturnus, mà hành tinh có tên, là vị thần của nông nghiệp.[107] Người La Mã coi thần Saturnus tương đương với vị thần của người Hy Lạp Cronus.[107] Người Hy Lạp đã gọi hành tinh xa nhất theo Cronus,[108] và người La Mã đã áp dụng theo cách đặt tên này. (Thời hiện đại trong tiếng Hy Lạp, hành tinh này vẫn có tên là Cronus (Κρόνος: Kronos).)[109]

Ptolemy, một nhà triết học Hy Lạp sống ở Alexandria,[110] đã quan sát thời điểm xung đối của Sao Thổ, và lấy cơ sở cho phép xác định các yếu tố quỹ đạo của hành tinh.[111] Trong chiêm tinh học của người Hindu, có chín đối tượng chiêm tinh, gọi là Navagraha. Sao Thổ, một trong số chúng, được gọi là "Shani", người phán quyết cho mọi người dựa trên những hành động tốt hay xấu của họ trong đời sống.[107] Nền văn minh Trung Hoa, Nhật Bản và Việt Nam cổ đại gọi hành tinh này là Thổ Tinh (土星), đặt tên dựa theo nguyên tố thổ của Ngũ Hành.[112]

Người Hebrew cổ đại gọi Sao Thổ là 'Shabbathai'.[113]. Trong tiếng Ottoman Thổ Nhĩ Kỳ, tiếng Urdu và tiếng Mã Lai, hành tinh có tên gọi 'Zuhal', viết từ chữ Ả Rập زحل.

Quan sát ở châu Âu (thế kỷ XVII–XIX)

Quan sát của Christiaan Huygens (1659): hình trên là giải thích của ông về sự thay đổi của vành Sao Thổ khi hành tinh quay quanh Mặt Trời, hình dưới là vành đai khi Sao Thổ ở vị trí nghiêng nhất khi nhìn từ Trái Đất.

Để quan sát thấy vành đai Sao Thổ từ mặt đất cần một kính thiên văn có đường kính ít nhất 15 mm[114] và do đó vành đai Sao Thổ không được phát hiện cho đến khi Galileo lần đầu tiên nhìn thấy nó vào năm 1610.[115][116] Ông nghĩ rằng đây là hai vệ tinh của Sao Thổ ở hai phía hành tinh.[117][118] Cho đến khi Christian Huygens sử dụng một kính thiên văn với độ phóng đại lớn hơn thì ông đã phát hiện ra đây là vành đai chứ không phải vệ tinh như Galileo từng nghĩ. Huygens còn phát hiện ra vệ tinh lớn nhất Titan; Giovanni Cassini sau đó phát hiện thêm bốn vệ tinh nữa: Iapetus, Rhea, Tethys và Dione. Năm 1675, Cassini phát hiện ra một khoảng trống giữa vành đai và ngày nay các nhà thiên văn đặt tên là Ranh giới Cassini.[119]

Không có thêm phát hiện lớn nào cho đến năm 1789 khi nhà thiên văn William Herschel phát hiện tiếp hai vệ tinh, Mimas và Enceladus. Vệ tinh dị hình Hyperion, có quỹ đạo cộng hưởng với Titan, được một đội các nhà thiên văn Anh phát hiện năm 1848.[120]

Năm 1899, William Henry Pickering phát hiện ra vệ tinh Phoebe, một vệ tinh dị hình không quay đồng bộ với Sao Thổ như các vệ tinh lớn khác.[120] Phoebe là lớp vệ tinh đầu tiên có những tính chất này được phát hiện và nó có chu kỳ quỹ đạo hơn một năm quanh Sao Thổ trên quỹ đạo nghịch hành. Trong đầu thế kỷ XX, những nghiên cứu về Titan dẫn đến xác nhận về tồn tại một bầu khí quyển dày trên vệ tinh vào năm 1944—một đặc điểm chỉ có duy nhất trên một vệ tinh trong Hệ Mặt Trời.[121]

Các tàu thăm dò của NASA và ESA

Pioneer 11 bay qua

Ảnh của tàu Pioneer 11 chụp Sao Thổ và vệ tinh Titan (góc trên, bên trái) ngày 26/8/1979 từ khoảng cách 2.846.000 km

Pioneer 11 là con tàu đầu tiên bay qua Sao Thổ vào tháng 9 năm 1979, khi đó nó cách hành tinh 20.000 km từ đỉnh mây khí quyển. Các bức ảnh gửi về gồm hành tinh và một số vệ tinh của nó, tuy vậy độ phân giải quá thấp để nhìn rõ các chi tiết bề mặt. Con tàu cũng nghiên cứu vành đai Sao Thổ, phát hiện ra vành đai mỏng F và những khoảng tối trong vành lại sáng lên khi nhìn dưới góc pha nghiêng lớn hướng về Mặt Trời, hay những khoảng trống tối này chứa những hạt bụi nhỏ tán xạ ánh sáng. Thêm vào đó, Pioneer 11 đã đo được nhiệt độ của Titan và cho thấy vệ tinh này quá lạnh để tồn tại sự sống.[122]

Voyager bay qua

Ảnh chụp khí quyển Titan của tàu không gian Voyager 1.

Tháng 11 năm 1980, con tàu không gian Voyager 1 đến hệ thống Sao Thổ. Nó đã gửi về những bức ảnh phân giải cao của hành tinh, các vành đai và vệ tinh của nó. Chi tiết bề mặt của nhiều vệ tinh đã được quan sát lần đầu tiên. Voyager 1 cũng đã bay qua vệ tinh Titan, gửi thêm nhiều dữ liệu và tăng độ hiểu biết của các nhà thiên văn về khí quyển vệ tinh này. Nó chứng minh rằng không thể quan sát bề mặt Titan qua bước sóng khả kiến; do vậy các nhà khoa học đã không có một bức ảnh nào về bề mặt vệ tinh này. Chuyến bay qua có mục đích làm thay đổi quỹ đạo Voyager 1 để quỹ đạo của nó rời khỏi mặt phẳng quỹ đạo của Hệ Mặt Trời.[123]

Khoảng một năm sau, vào tháng 8 năm 1981, Voyager 2 tiếp tục bay qua và nghiên cứu hệ thống hành tinh này. Thêm nhiều bức ảnh chụp gần các vệ tinh Sao Thổ gửi về Trái Đất, cũng như thêm những dữ liệu về sự thay đổi trong khí quyển và vành đai hành tinh. Thật không may, trong giai đoạn bay qua, camera đã không điều chỉnh được góc chụp trong hai ngày và do vậy một số kế hoạch chụp ảnh đã bị hủy. Trường hấp dẫn của Sao Thổ đã được lợi dụng để đẩy con tàu đến Sao Thiên Vương.[123]

Hai tàu cũng đã phát hiện và xác nhận thêm vài vệ tinh nữa bay gần hoặc bên trong vành đai Sao Thổ, cũng như phát hiện ra Khoảng trống Maxwell (khoảng trống nằm giữa Vành C và Khoảng trống Keeler (một khoảng rộng 42 km trong Vành A).

Tàu Cassini–Huygens

• Phương tiện liên quan tới Ảnh hệ thống Sao Thổ do tàu Cassini chụp tại Wikimedia Commons

Sao Thổ trong giai đoạn điểm phân chụp bởi tàu quỹ đạo Cassini, trong hình có 6 vệ tinh với Titan ở góc dưới bên trái.Sao Thổ che khuất Mặt Trời, nhìn từ tàu Cassini.

Ngày 1 tháng 7 năm 2004, tàu không gian Cassini–Huygens thực hiện các bước điều chỉnh tham số đường bay và đi vào quỹ đạo Sao Thổ. Trước khi đi vào quỹ đạo, Cassini đã thực hiện các nghiên cứu về hệ thống hành tinh này. Tháng 6 năm 2004, nó đã thực hiện bay qua gần vệ tinh Phoebe, gửi về trung tâm điều khiển dữ liệu và hình ảnh phân giải cao vệ tinh này.

Cassini đã nhiều lần bay qua vệ tinh lớn nhất, Titan, thực hiện chụp ảnh ra đa và nó đã phát hiện ra các hồ hiđrô cacbon, với nhiều đảo và núi tồn tại trên bề mặt vệ tinh này. Con tàu hoàn tất hai lần bay qua Titan trước khi thả thiết bị thăm dò Huygens ngày 25 tháng 12 năm 2004 xuống. Huygens đã đi vào khí quyển Titan ngày 14 tháng 1 năm 2005, gửi về dữ liệu suốt quá trình rơi trong khí quyển cũng như hình ảnh sau khi đáp mặt đất vệ tinh này.[124] Cassini cũng đã thực hiện nhiều lần bay qua những vệ tinh khác của Sao Thổ.

Từ đầu năm 2005, các nhà khoa học đã bắt đầu theo dõi hiện tượng sét trong khí quyển Sao Thổ. Năng lượng của những tia sét này mạnh gấp gần 1.000 lần so với tia sét trên Trái Đất.[125]

Năm 2006, cơ quan NASA thông báo tàu Cassini đã phát hiện ra dấu vết của nước lỏng phóng ra từ những mạch nước phun trên vệ tinh Enceladus. Trong các bức ảnh chụp đã hiện ra những tia chứa hạt băng đang được phun vào quỹ đạo quanh Sao Thổ từ những mạch phun ở vùng cực nam vệ tinh này. Theo nhà khoa học hành tinh Andrew Ingersoll, Viện Công nghệ California, "Những vệ tinh khác trong hệ Mặt Trời có những đại dương nước lỏng bao phủ bởi lớp băng dày hàng kilômét. Điều khác biệt ở đây đó là nước lỏng có thể ở sâu 10 m ngay dưới bề mặt."[126] Tháng 5 năm 2011, các nhà khoa học NASA tại hội nghị về mặt trăng Enceladus thông báo Enceladus "có thể là một nơi sống được bên ngoài Trái Đất trong Hệ Mặt Trời khi chúng ta biết về nó".[127][128]

Các bức ảnh của tàu Cassini cũng mang lại những khám phá mới khác. Nó đã khám phá thêm một số vành đai hành tinh mới, bên ngoài vành đai sáng chính cũng như bên trong các vành G và E. Nguồn gốc của những vành này là hệ quả của vụ va chạm giữa những thiên thạch với hai vệ tinh của Sao Thổ.[129] Tháng 6 năm 2006, Cassini phát hiện ra những hồ hiđrôcabon gần cực bắc của Titan, và được xác nhận vào tháng 1 năm 2007. Tháng 3 năm 2007, thêm những bức ảnh gần cực bắc Titan tiết lộ ra những "biển" hiđrôcacbon, với cái rộng nhất có diện tích bằng biển Caspi.[130] Tháng 10 năm 2006, con tàu phát hiện ra một cơn bão đường kính 8.000 km với một mắt bão ở cực nam của Sao Thổ.[131]

Từ năm 2004 đến 2009, con tàu đã phát hiện và xác nhận thêm 8 vệ tinh mới. Nhiệm vụ cơ bản của nó kết thúc vào năm 2008 khi hoàn thành 74 vòng quỹ đạo quanh Sao Thổ. Sự hoạt động thăm dò của Cassini đã được mở rộng đến 2010 và một lần nữa cho đến năm 2017, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu trọn một mùa của Sao Thổ.[132]

Các chương trình trong tương lai

Tàu thăm dò trong chương trình TSSM

Cơ quan Hàng không & Vũ trụ Mỹ và Cơ quan vũ trụ châu Âu từng hợp tác xây dựng chương trình thám hiểm hệ thống Sao Thổ và vệ tinh Titan có tên gọi Titan Saturn System Mission (TSSM), dự kiến chi phí 2,5 tỷ USD khởi hành năm 2020 (sau dự án nghiên cứu Sao Mộc và vệ tinh của nó Europa: EJSM/Laplace), mượn quán tính Trái Đất và sức hút hấp dẫn của Sao Kim để đến gần Sao Thổ vào khoảng năm 2029. TSSM dự kiến đi vòng quanh Sao Thổ trong 2 năm, lấy mẫu Titan trong 2 tháng và bay vòng quanh vệ tinh này trong 20 tháng.[133] Năm 2009 cơ quan ESA đã rút khỏi dự án này,[134] hiện tại dự án TSSM không được chính phủ Mỹ phê duyệt ngân sách cho NASA triển khai dự án này, và nó mới chỉ trên khái niệm nghiên cứu, chưa có ngày phóng cụ thể hoặc những bước thực hiện chế tạo tàu.[135]