Чем Титан похож на Землю и пригоден ли он для жизни: загадки крупнейшего спутника Сатурна
Титан — это одно из самых загадочных небесных тел в Солнечной системе. Будучи самой большой луной Сатурна и вторым по величине спутником в нашей системе, Титан удивительно похож на Землю. Космические данные указали, что на его поверхности, возможно, существует жидкость. Какие аппараты изучали Титан, из чего он состоит и какие загадки скрывает, объяснил эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев.
Титан — это мир, чудным образом похожий на наш. Плотная атмосфера и жидкие озера — что-то странно знакомое, но одновременно чуждое и непостижимое.
Этот спутник Сатурна официально открыл в 1655 году голландский астроном Христиан Гюйгенс. Название указывает на его внушительные размеры: Титан немного больше Меркурия и на 50% крупнее нашей Луны. Из-за огромного удаления от Земли его поверхность оставалась загадкой для человечества, пока не были разработаны методы проникновения сквозь плотную атмосферу и не раскрыта его истинная природа.
Как начинали исследовать Титан
Первое близкое знакомство с Титаном состоялось в сентябре 1979 года, когда к нему прибыл космический аппарат Pioneer-11, предназначенный для исследования Сатурна и его спутников. Ученые с нетерпением ждали первых снимков поверхности небесного тела.
Разведчик внешних планет: как Pioneer-11 потерялся в космосе
Однако зонд смог зафиксировать лишь непроницаемые оранжевые облака, окутывающие спутник. Тем не менее аппарат сумел исследовать состав атмосферы и обнаружил нечто удивительное. Газовая оболочка, окутывающая планету, оказалась богата азотом, чем напомнила земную атмосферу.
Еще одно важное открытие состояло в том, что ученые обнаружили на Титане углеводороды — вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода и водорода.
Атмосфера Титана оказалась плотной, на 95–97% состоящей из азота, а на 2–4% — из метана. Почему наличие метана (который часто называют «природным газом») так важно для ученых? Потому что углеродные структуры, составляющие метан, являются также основой для жизни. Важные молекулы, такие как ДНК и белки, построены на углеводородной базе. А углеводороды — это еще более привычное нам понятие: большинство из нас ежедневно сталкиваются с ними, используя в качестве топлива автомобилей или газовых плит.
Звучит захватывающе. Если бы на Титане нашли кислород, это породило бы гораздо больше ответов на задаваемые вопросы: у нас были бы не просто «строительные блоки жизни», но и способ поддерживать эту жизнь. Кстати, кислород на Титане тоже нашли. Его не так много, и чтобы добыть его, нужно копать глубже.
Близкий пролет зонда позволил оценить гравитацию этого спутника Сатурна. Оказалось, что сила тяжести на нем значительно меньше, чем ожидалось. Хотя Титан гораздо крупнее нашего ночного светила, гравитация на нем слабее. Это указывает на то, что эта луна не очень плотная, и открывает интересные перспективы. Благодаря плотной атмосфере и слабой гравитации Бэтмен (точнее, человек в костюме летучей мыши с перепонкой, соединяющей руки и ноги) смог бы спрыгнуть со скалы и буквально лететь, как птица!
Чем Титан похож на Землю
В самом конце 1970-х NASA обнаружило, что во внешней части Солнечной системы скрывается мир, многие составные части которого очень похожи на земные. Ученые поняли: под облаками Титана можно ждать открытий, которые перевернут наши представления о жизни и Вселенной. И это было одновременно близко и далеко. Оставалось лишь подождать, пока технологии догонят их мечты.
И вот, спустя 25 лет после Pioneer-11, Сатурна достиг космический аппарат Cassini, созданный совместными усилиями NASA, Европейского и Итальянского космических агентств. Новый зонд был оснащен датчиками, способными видеть сквозь атмосферу Сатурна и его спутника Титана.
За свою 13-летнюю миссию аппарат 127 раз пролетел мимо Титана, исследуя его поверхность через дымку. Результаты этих исследований поражают воображение. Титан — единственный спутник в Солнечной системе с плотной атмосферой. Последняя у поверхности оказалась выше, чем земная, но быстро убывала с увеличением высоты. При этом ее неоднородность варьировалась в зависимости от высоты.
Показатели поверхностной плотности атмосферы Титана различаются в зависимости от источника:
По данным аппарата Pioneer-11 — 1,88 г/м³;
По данным аппарата Cassini — 5,43 кг/м³.
В результате атмосфера Титана оказывается в 4,3 раза плотнее земной!
Исследователи предположили, что различия в данных могут быть связаны с разными методами измерений, а также с сезонными изменениями в верхних слоях атмосферы.
По их мнению, основные факторы, влияющие на плотность атмосферы Титана, включают:
Высокое поверхностное давление;
Низкую гравитацию, способствующую большой протяженности газовой оболочки;
Состав атмосферы, включающий азот, метан и органические молекулы, создающие плотную дымку.
Эти условия фактически приводят к обратному парниковому эффекту, блокируя даже минимальный приток тепла к планете. В результате, по мере приближения к поверхности, метан в атмосфере становится все холоднее, пока не конденсируется и не выпадает в виде осадков на ледяную поверхность, твердую, как гранит. Средняя температура «суши» Титана составляет -179° С, а температура замерзания метана -182° С.
Таким образом, на этом спутнике Сатурна есть все условия для полного гидрологического цикла. Но здесь испаряется и конденсируется не вода, а метан — перспективное ракетное горючее. По поверхности Титана текут содержащие метан реки, озера и моря. Это единственный мир в Солнечной системе (помимо Земли) с жидкой субстанцией на поверхности.
Первый спуск в атмосферу Титана
Создатели Cassini проявили мудрость. Они понимали, что Титан раскроет перед нами что-то невероятное. Поэтому ЕКА включило в миссию атмосферный зонд-посадочный модуль Huygens. Он был назван в честь голландского астронома, который первым открыл спутник, и предназначался для парашютного спуска к поверхности Титана и видеосъемки всего, что встретит по пути.
Huygens мог совершить посадку на самых разных участках рельефа — от горных вершин по поверхности океана. 14 января 2005 года он вошел в атмосферу. По данным Cassini, местом посадки должно было стать побережье небольшого озера.
Батарея обеспечивала три часа работы, из которых два с половиной зонд медленно спускался на парашюте. Наконец, он прорвался сквозь облака.
Камеры зонда зафиксировали сложный рельеф с признаками действия жидкости. В туманной атмосфере и на ландшафте с оранжевыми и коричневыми оттенками видны «каналы», береговая линия и темные «моря» со светлыми «возвышенностями».
На экранах можно было наблюдать темную долину между яркими горными хребтами. Вблизи видны полосы шириной в сотни метров и длиной в несколько километров, образовавшиеся из основных металлов дождей, стекающих в долины. Также стали заметны русла рек и резкий контраст между светлыми и темными участками — «береговая линия».
По мере приближения поверхность превратилась в сухую равнину, напоминающую дно озера, с ледяной галькой на песчаной, богатой органикой поверхности. Она была сухой, но на снимках отчётливо виднелись следы ранее текущей жидкости: «дренажные каналы» и участки, выглядевшие влажными. Датчики зонда также зафиксировали резкий рост содержания метана после посадки, подтверждая, что грунт оставался насыщенным жидкостью.
Кроме того, на борту зонда был установлен сонар, который за счет измерения параметров распространения звука давал информацию о составе атмосферы и ее температуре.
Когда Huygens коснулся поверхности, он оставил вмятину глубиной 12 см. Аппарат дрогнул и проехал около 30–40 см по грунту, покачиваясь, прежде чем остановиться. Когда камера начала снимать, самым удивительным было не то, насколько чужим казался мир, а то, насколько знакомым он выглядел. Если убрать оранжевый оттенок, пейзаж напоминал дно любой реки на Земле. Мы увидели крупные округлые камни, отполированные водой, окруженные мелкими камешками, похожими на песчаник. Но это были не камни.
Это льдинки, застывшие каплями. Горы тоже состоят изо льда. Вода — это кислород и водород, но даже в замороженном виде она не пригодна для жизни. Поверхность вокруг посадочного зонда, по мнению ученых, покрыта углеводородным материалом, напоминающим снег. У него тонкая хрустящая корочка сверху и мягкая текстура снизу.
Жидкость на Титане
Когда камера «Гюйгенса» фиксирует инопланетный ландшафт, видны волны в воздухе. Это тепло от зонда вызывает испарение на поверхности. Видно, как мимо объектива стекает капля метановой росы. Камера фиксирует солнце. Оно в десять раз меньше, чем с Земли. На Титане полдень, но свет такой же яркий, как после захода солнца в сумерках.
Huygens совершил потрясающее открытие, но загадка жидкого метана так и осталась нерешенной.
Казалось, он приземлился в подходящем месте, на дне реки, вот только не в то время. Куда же подевалась жидкость? Одним из любопытных открытий стал метановый цикл. Всем знаком круговорот воды на Земле: жидкость испаряется с поверхности, поднимается в небо, конденсируется в облака и, когда в них скапливается много водяного пара, выпадает дождем.
На Земле дожди идут часто, потому что испарению способствует много солнечной энергии. Но на Титане, где солнечного света мало, жидкий метан испаряется очень медленно. Когда он все же переходит в газообразное состояние, весь метан сохраняется в плотном слое атмосферы. Здесь может удерживаться огромное количество конденсата, прежде чем что-то начнет падать.
Результатом этого были бы длительные периоды метановой «засухи», сменяющиеся периодами проливных дождей, которые вызвали бы внезапные изменения рельефа. Но, к сожалению, Huygens побывал на Титане в то время, когда дождей не было….
Посадочный зонд уснул, но Cassini продолжал исследовать Титан, периодически пролетая мимо него. Оказалось, что сухой сезон на Титане ограничен северным полюсом. Космический аппарат заметил яркие отражения солнечного света на поверхности озер.
Титан стал домом для первого озера из углеводородов. Оно находится в южном полушарии, недалеко от южного полюса. Его назвали озером Онтарио (Ontario Lacus) в честь своего земного тезки. Несмотря на разницу в размерах (примерно на 20%, меньше, чем земное Онтарио), оно занимает около 15 тысяч квадратных километров. Глубина титанического Онтарио невелика — от 40 сантиметров до трех метров, но само озеро довольно большое.
Это удивительное место отличается невероятным спокойствием. Волны здесь едва достигают три миллиметров в высоту, и поверхность озера кажется идеально гладкой, как стекло. Почему так происходит, остается загадкой. Ведь на Титане давление воздуха выше, а гравитация слабее, чем на Земле. Кажется, что волны на Титане должны быть выше. К тому же, на Земле озеро Онтарио славится своим неспокойным нравом.
На северном полюсе Титана расположено огромное море Кракена (Kraken Mare). Оно настолько велико, что его можно назвать океаном. Площадь этого моря — 400 тысяч квадратных километров, что чуть меньше площади Черного моря на Земле. Оно настолько большое, что испытывает приливы и отливы под влиянием гравитации Сатурна. Тяготение центральной планеты поднимает и опускает жидкий метан на высоту до одного метра. Несмотря на внушительные размеры, море Кракена относительно мелководное, его средняя глубина — около 300 метров. Для сравнения, Черное море достигает глубины более 2000 метров.
Криовулканизм на Титане
Озера и океаны из метана — не единственный активный процесс на Титане. Здесь также есть вулканы.
На поверхности Титана нет камней, только лед, похожий на гальку. Поэтому вулканы извергаются не магмой, а смесью воды с углеводородами. Но как вода может быть жидкой в таком холоде? Оказывается, смешиваясь с аммиаком, она действует как антифриз. Аммиак — это не только чистящее средство с неприятным запахом, но и распространенное вещество, появившееся еще на стадии формирования Солнечной системы.
Аммиак — это соединение азота и водорода, двух самых распространенных элементов во Вселенной. Это вещество сыграло важную роль в формировании планет и лун.
На Титане аммиак испарился бы, образовав богатую азотом атмосферу. Под поверхностью он соединился бы с водяным льдом, расплавив его и создав различные жидкие формы. Если представить поперечный разрез Титана, можно увидеть твердую корку замороженного льда.
Под слоем частично замерзшей снежной массы, время от времени извергаемой лунными вулканами, находится толстый слой жидкой воды. Она покрывает каменистое ядро спутника. Остаточного тепла, приливной энергии Сатурна и примеси аммиака достаточно для поддержания подземного океана в жидком состоянии.
Таким образом, на этой удаленной от Земли луне есть вода и углеводороды. Их соединение дает топливо для жизни. Благодаря активному вулканическому процессу эти элементы могут встретиться как над, так и под замерзшей поверхностью.
Есть ли на Титане жизнь
Наверное, утверждать, что на Титане живут инопланетяне, преждевременно. Но есть вероятность появления примитивных бактерий, соответствующих минимальным критериям жизни.
В поисках второй Земли: как найти пригодные для жизни экзопланеты
Поэтому NASA сейчас вкладывает огромные средства в миссию Dragonfly («Стрекоза»). Этот проект предполагает посадку на этот спутник винтокрылого аппарата, который будет искать пребиотическую химию и признаки жизнепригодности в разных областях Титана.
Беспилотный вертолет с радиоизотопным двигателем планируют запустить в 2028 году. Он прибудет на Титан в 2030-м. Это будет сложная миссия, но для NASA это единственный способ раскрыть тайны спутника Сатурна. С его помощью предполагается узнать, из чего состоит поверхность, похожая на снег. И если на ней есть признаки жизни, Dragonfly станет нашим лучшим шансом их обнаружить.
Ранее на Титане нашли странное соединение метана и цианида водорода. Как оно нарушает законы химии, рассказывали здесь.
А все о Сатурне — из чего он состоит, сколько до него лететь и какие у него есть спутники — собрали в этом материале.
