Daten, die von der Raumsonde Cassini am 26. November 2005, 30. August 2007 und 2. März 2010 bei nahen Vorbeiflügen an Rhea gesammelt wurden, zeigen, dass der zweitgrößte Saturnmond eine dünne Atmosphäre aus Sauerstoff und Kohlendioxid besitzt.
Bereits vor der Auswertung der neuen Daten gab es den Verdacht, Rhea könnte eine sauerstoffhaltige Atmosphäre besitzen – derartige Gashüllen wurden zuvor schon bei den eisbedeckten Jupitermonden Europa und Ganymed entdeckt. Der Sauerstoff entsteht dort durch das Einwirken elektromagnetischer Strahlung auf das gefrorene Wasser, das sich dabei zersetzt. In die Atmosphäre gelangt der Sauerstoff durch das Bombardement mit geladenen Teilchen, die sich im Einflussbereich des Magnetfelds von Jupiter bilden.
Ähnliche Prozesse wie bei den Jupitermonden könnte es auch auf den eisbedeckten Monden des Saturns geben, die sich in dessen Magnetosphäre befinden.
Zumindest für den auf Rhea vorkommenden Sauerstoff scheint dies zuzutreffen. Die Herkunft des Kohlendioxids ist hingegen weniger klar: es könnte ebenfalls bereits im Eis vorhanden sein und nach und nach ausgasen. Oder es entsteht bei der Oxidation kohlenstoffhaltiger Mineralien oder organischer Moleküle. Letztere könnten in Form von Mikrometeoriten auf Rheas Oberfläche gelangt sein.
Wie Cassini’s Messungen außerdem zeigen, ist die dünne Gashülle um den Mond nicht überall gleich: auf der von der Sonne beschienenen und damit wärmeren Seite ist sie deutlich dicker und enthält mehr Kohlendioxid (bis zu 20 Milliarden Moleküle pro Kubikmeter) als auf der dunklen, kälteren Seite.
Die neuen Forschungsergebnisse deuten des Weiteren darauf hin, dass auch noch andere eisige Monde eine Atmosphäre haben könnten – unter anderem Rheas Schwestermond Dione, dessen Oberfläche ähnlich aufgebaut ist wie die von Rhea.

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