«Оранжевое небо, оранжевое моpе...» Эти слова из «Оранжевой песни» отлично описывают мир крупнейшего спутника Сатурна Титана. А перед вами — подтверждающая это утверждение фотография. Она была получена ровно 15 лет назад во время спуска зонда «Гюйгенс» с высоты около 5 километров. Может показаться, что Титан совсем небольшой (раз при съемке с такой высоты он целиком попал в кадр), но на самом деле это оптический обман, вызванный тем, что снимок был сделан через объектив типа «рыбий глаз», сильно исказивший реальную перспективу. А радиус Титана составляет 2175 км (то есть он всего в два с половиной раза меньше Земли).
Атмосфера Титана примерно на 95% состоит из прозрачного азота. Остальные 5% почти целиком приходятся на метан, еще есть немного водорода и — в следовых количествах — другие углеводороды, нитриды, гелий и аргон. Аэрозоли из этих веществ и придают тамошнему «воздуху» оранжевый цвет.
Титан — единственный спутник в Солнечной системе, у которого есть своя атмосфера. Что интересно, она массивнее земной (примерно на 20%), а из-за меньшего тяготения простирается гораздо дальше (почти до высоты 600 км). Давление у поверхности почти на 60% больше земного.
Атмосфера плотно окутывает Титан — в видимом диапазоне его поверхность снаружи почти совсем не видна. Но общие оценки, сделанные на основе наблюдений с Земли и с «Вояджеров», указывали, что на его поверхности и в атмосфере некоторые вещества могут находиться в жидком состоянии. Как мы знаем благодаря сверхуспешной миссии «Кассини-Гюйгенс», эти предположения подтвердились. Так что теперь Титан — второе после Земли космическое тело с «гидросферой» из морей, озер и рек (подробнее см.: Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов, «Элементы», 20.09.2019). Правда, плещется в них не вода, а смесь углеводородов.
Миссия «Кассини-Гюйгенс» стартовала к Сатурну в 1997 году. Двойное название неслучайно — в ней участвовали два аппарата: автоматическая межпланетная станция (АМС) «Кассини» и прикрепленный к ней небольшой спускаемый зонд «Гюйгенс», предназначенный для изучения Титана. Семилетний путь до окрестностей Сатурна они проделали вместе, прибыв к нему 1 июля 2004 года — в этот день после торможения «Кассини» вышла на орбиту Сатурна. Спустя полгода, 25 декабря 2004 года, зонд отделился и через 20 дней вошел в атмосферу Титана. Его работа завершилась почти сразу после успешной посадки, а «Кассини» продолжила изучать газовый гигант, его спутники и кольца еще 13 лет: программа была завершена в 2017 году, принеся множество важнейших открытий. О некоторых из них можно прочитать в картинке дня Большой финал «Кассини» и в статье Три чуда системы Сатурна. Обработка данных миссии еще продолжается. Например, недавно было закончено составление полной карты поверхности Титана на основе данных радара и ИК-спектрометра «Кассини», см.: Составлена полная геоморфологическая карта Титана («Элементы», 11.12.2019).
Уже во время полета выяснилось, что часть миссии с участием «Гюйгенса» под угрозой. На маленьком зонде (его диаметр всего 1,3 метра) невозможно установить большую и достаточно мощную антенну для передачи данных сразу на Землю. Поэтому «Гюйгенс» должен был передавать сигнал на «Кассини», которая затем бы ретранслировала его на Землю. Но в модуль приема сигнала на станции закралась программная ошибка: не учитывался эффект Доплера, который изменяет длину волны из-за относительного движения источника и приемника сигнала. Из-за этой ошибки «Кассини» не смогла бы понять, что «Гюйгенс» что-то передает. К счастью, ее удалось компенсировать, проработав траектории аппаратов, при которых искажение сигнала из-за эффекта Доплера минимизировалось.
Итак, 14 января 2005 года наступила активная фаза долгого путешествия «Гюйгенса». Он вошел в атмосферу Титана, тормозя сначала при помощи теплозащитного экрана, а затем — последовательно выпускавшимися тремя парашютами. В процессе спуска проводились анализы атмосферы, велась съемка происходящего. На высоте около 10 км оранжевый туман стал рассеиваться, и зонд смог получить первые изображения поверхности Титана. Весь спуск длился примерно 2,5 часа, на поверхности зонд проработал еще около получаса. Сильно дольше трех часов он бы в любом случае не протянул из-за небольшой емкости элементов питания.
Спуск «Гюйгенса», записанный на камеру с объективом типа «рыбий глаз». Показаны также данные телеметрии, траектория спуска, вращение зонда и мощность сигнала, принимаемого «Кассини». В правом верхнем углу видны отсчет времени и основные параметры спуска: высота и скорость зонда
Область, в которую он опускался, оказалась богата разными формами рельефа, которые отличались друг от друга как цветом, так и структурой: сверху и слева находится светлая относительно ровная возвышенность, а справа — изрезанный горный хребет. В центре изображения — там, куда должен был сесть «Гюйгенс», — расположено большое относительно ровное темное пятно. Когда он приземлился, оказалось, что это участок рыхлой поверхности, напоминающей плотный снег или мокрый песок, покрытый круглыми отшлифованными «камнями», напоминающими гальку. Эти «камни», скорее всего, состоят из водяного льда, а вся поверхность, по-видимому, является дном высохшего метанового водоема.
На Титане, как и на Земле, есть смены времен года, но только разные сезоны длятся по 7,5 лет (поскольку Сатурн делает один оборот вокруг Солнца примерно за 30 лет). В полушарии, где наступает лето, все водоемы со временем высыхают, а метан переносится атмосферными течениями в зимнее полушарие, где выпадает в виде осадков, образуя новые водоемы.
Спуск «Гюйгенса», записанный на «обычную» камеру. В сопровождающем видео звуковом комментарии объясняется, что происходит и какие особенности рельефа заметны при спуске. Видео с сайта sci.esa.int
Острые пики и отвесные склоны горного хребта в правой части фото указывают на то, что он достаточно молодой. Атмосфера Титана обеспечивает высокие темпы эрозии и за продолжительное время ветры и метановые дожди должны заметно сглаживать любые неровности. Значит, этот хребет образовался недавно по геологическим меркам, а на Титане есть тектоническая активность.
В подтверждение этому «Гюйгенс» обнаружил тяжелый изотоп аргона 40Ar, который образуется в результате распада калия в недрах. Поскольку он был обнаружен в атмосфере, должны быть и процессы, которые выводят его из глубин. Основным кандидатом на роль такого процесса сейчас считается криовулканизм. Активность на поверхности означает, что ядро спутника еще теплое и вполне возможно существование подповерхностного водного океана. То есть, как и большинство спутников Сатурна, Титан может иметь твердую корку (скорее всего, из водяного льда), под которой находится жидкая вода, подогреваемая теплом ядра.
Хотя в явном виде «Гюйгенс» жидкость на Титане не нашел (это, как уже говорилось выше, было сделано «Кассини» через несколько лет в ходе подробного исследования Титана с орбиты), он заметил следы ее активного движения по поверхности. Они есть на светлой возвышенности в верхней части снимка. Там прослеживаются формы рельефа, похожие на русла рек и на темные долины с крутыми склонами. Первые указывают на то, что по возвышенности протекали потоки жидкости; вторые, вероятно, образовались за счет эрозии при выпадении метановых дождей.
И хотя «Гюйгенс» не встретил ни оранжевых верблюдов, ни, тем более, поющих оранжевых человечков, можно сказать, что на Титане раздавались «оранжевые песни»: на борту «Гюйгенса» был установлен сонар, который за счет измерения параметров распространения звука давал информацию о составе атмосферы и ее температуре.