为了探索土卫二，美国宇航局于二十世纪末发射卡西尼号太空船，并于二十一世纪初抵达土星附近，为科学研究提供了大量的数据。探究表明，土卫二是外太阳系中迄今为止观测到存在地质喷发活动的三个星体之一（另外两个分别是木卫一和海卫一）。
分析认为喷射的物质是星体表面以下的液态水；同时，在喷射的羽状物中亦发现了奇特的化学成分，因此土卫二也被认为是天体生物学的重要研究对象。 2015年3月，东京大学、日本海洋研究开发机构等与欧美的国际团队一道，在土卫二上发现存在热水的环境。这是人类首次在太阳系中发现存在于地球之外的可供生命存在的环境。
2017年4月14日，北京时间凌晨2点，美国国家航空航天局（NASA）在华盛顿总部的詹姆斯·韦伯礼堂召开新闻发布会，宣布土卫二上具备生命所需的所有元素，而情况相似的木卫二同样有潜力。
1789年8月28日，威廉·赫歇尔在第一次使用他的1.2米望远镜（当时世界上直径最大的望远镜）时发现了土卫二其实在1787年，赫歇尔就已经通过他的16.5厘米望远镜观测到这颗卫星，只是当时未得到确认。由于土卫二糟糕的视星等（高达11.7等），同时它又靠近明亮得多的土星及其光环，从地球上很难观测到这颗卫星，只有通过透镜直径达15-30厘米的望远镜才能观测到，这还取决于当时当地的大气状况和光污染程度。
作为太空时代之前发现的众多土星卫星之一，土卫二的最佳观测时间是在环面穿越时期，此时土星环垂直于地球运行点的切线在地球上只能观测到一条细线，土星环的亮度大为降低，故为观测土卫二的最佳时机。
直到旅行者号计划实施后，对土卫二的观测才得到显着改善，而之前科学家所掌握的资料仅仅包括了该卫星的轨道特征及对其质量、密度和反照率的约略估计。
两艘旅行者飞船获得了第一组土卫二的特写镜头，其中旅行者1号是第一艘与土卫二擦肩而过的人造飞行器它于1980年11月11日在距土卫二20万2千公里处掠过。 尽管在这个距离上获得的影像资料分辨率较低，但是仍然显示土卫二拥有一个高反照率并缺乏撞击坑的地表，这表明该卫星地表的地质年龄较低。
旅行者1号亦证实土卫二的运行轨道恰好位于土星E环的稠密处；结合土卫二的年轻地表分析，参与旅行者飞船计划的科学家认为E环是由土卫二地表所喷射出的颗粒组成的。旅行者2号于1981年8月26日在距土卫二8万7010公里处飞掠而过，从而获得了关于这颗卫星更为清晰的影像资料，这些资料展示了这颗卫星年轻地表的诸多特征，也表明在这颗卫星的不同地区，其地质年龄存在极大不同。
在该卫星北半球中、高纬度地区，存在着大量的撞击坑，而在靠近赤道的地区，撞击坑的分布则相对较少。这种多样性的地貌特征与地质年龄古老、撞击坑众多的土卫一（该卫星较土卫二稍小）形成了鲜明对比。
这种年轻地貌的发现在科学界引起了很大轰动——当时还没有任何理论可以解释为何一颗体积如此之小的天体（相较于暴烈的木卫一，它已经处于冷却状态）依然存在着地质活动。不过，旅行者2号的观测数据并不能证明土卫二现阶段是否仍存在地质活动，也无法确认该卫星是否就是E环物质的来源地。
这些谜团直到2004年7月1日卡西尼号太空船进入环土星轨道后才得以解决。在旅行者2号观测结果的基础上土卫二成为了卡西尼号飞船计划的一个优先观测目标。卡西尼号在1500公里范围内数次有目的性的飞掠，及在10万公里范围内众多非目的性的飞掠提供了大量的观测资料。
卡西尼号共进行了4次近距离的飞掠，获得了众多关于土卫二表面的意义重大的信息，并发现了卫星南极地区发生的含有水蒸气和复杂碳氢化合物的喷射现象这些发现也促使卡西尼号的飞行轨道做出改变，对土卫二实施更近距离的飞掠，其中包括2008年3月的一次近距离相遇。在该次相遇中，卡西尼号对土卫二进行了精度达到52公里以内的探测。
2008年至2010年间卡西尼号的后续任务包括了7次对土卫二的近距离飞掠，其中2008年下半年的两次飞掠距离近达50公里。
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