Эксперименты показывают, что процессы в недрах спутника могут поддерживать его окружение атмосферой, которая в противном случае была бы утрачена.
Крупнейший спутник Сатурна, Титан, представляет особый интерес для ученых. Это во многом благодаря его статусу единственного другого планетарного тела в Солнечной системе, которое имеет атмосферу, в 1,5 раза более плотную, чем земная, и на поверхности которого есть тела жидкой формы. (В отличие от Земли, где большинство поверхностных жидкостей — это вода, Титан настолько холоден — около -290 градусов по Фаренгейту [-179 градусов Цельсия] — что присутствующая там жидкость состоит из углеводородов, таких как метан и этан.)
Однако даже такой крупный спутник не имеет достаточно массы, чтобы надежно удерживать свою атмосферу. Теперь новое экспериментальное исследование, опубликованное 1 февраля в журнале Geochimica et Cosmochimica Acta, показывает, что химические соединения в атмосфере Титана могут возникать в результате процессов в его недрах, что предоставляет способ восстановить плотную атмосферу спутника.
Тайный Титан
Когда NASA отправило зонды Voyager на грандиозное исследование внешней части Солнечной системы, было решено отправить Voyager 1 на специальную миссию для изучения плотной атмосферы Титана. Двадцать лет спустя NASA еще больше углубило этот интерес миссией Cassini, которая исследовала всю систему Сатурна. Cassini также нес специальный спускаемый аппарат — зонд Huygens Европейского космического агентства, который 14 января 2005 года приземлился в экваториальной зоне Титана. Huygens вернул захватывающие данные о этом первобытном спутнике, включая огромный объем информации о его плотной атмосфере, которую мы до сих пор анализируем спустя 20 лет.
Однако диаметр Титана составляет всего 40 процентов от диаметра Земли, а его масса — менее 2,3 процента массы Земли. Учитывая это, как Титан может удерживать такую плотную атмосферу, особенно на протяжении миллионов лет? Например, считается, что Марс сегодня сухой и бесплодный, потому что солнечный ветер когда-то вымыл его атмосферу. Так почему этого не произошло с Титаном?
Дополнительный слой загадки
Келли Миллер из Исследовательского института Юго-Запада предлагает еще один слой к этой загадке. «Одна из множества интересных особенностей Титана — это его очень плотная атмосфера, состоящая в основном из азота», — говорит она. «Но также в ней есть важные 5 процентов метана. И метан участвует в фотохимических реакциях (реакциях, вызванных солнечным светом), которые генерируют аэрозольные материалы, оседающие вниз и, вероятно, вносящие вклад в органические вещества, которые покрывают большую часть поверхности Титана».
Но этот процесс должен был бы удалить метан из атмосферы Титана всего за 30 миллионов лет. Как же тогда метан все еще сохраняется?
Внутренние процессы
К счастью, у Миллер есть подсказки, как ответить на эту загадку. Она возглавила новое исследование в партнерстве с учеными из Лаборатории Земли и Планет Карнеги, которое предполагает возможный механизм, по которому метан в атмосфере Титана может восстанавливаться из внутреннего резервуара.
«Данные миссии Cassini-Huygens показывают, что в атмосфере есть аргон-40», — объясняет Миллер. «Аргон-40 является продуктом распада калия-40, а калий — это элемент, формирующий горные породы. Поэтому мы не ожидали бы, что он будет присутствовать в ледяной оболочке. Он должен быть более распространен в каменном внутреннем слое».
Учитывая это, результаты экспериментов ее команды, которые показывают, что органическое вещество в недрах Титана может взаимодействовать при высоких температурах (около 250°C или выше), указывают на возможное присутствие криовулканизма на Титане. Исследователи давно подозревали это, но новое исследование делает это более вероятным, чем когда-либо.
Если криовулканы выбрасывают метан в атмосферу Титана, это означает, что в его недрах должен существовать процесс, производящий этот метан, что имеет и другие последствия. «Если этот процесс происходит в недрах с аккреционированным, сложным органическим материалом, то он будет генерировать другие продукты», — говорит Миллер. «Также не будут образовываться только метан и углекислый газ, и эти другие продукты могут иметь значение для того, может ли подповерхностный океан Титана быть обитаемым или нет».
Надежда на ответы
Конечно, Титан все еще полон загадок. Для начала, откуда именно взялся глубокий резервуар метана в его недрах? Этот и другие вопросы могут быть отвечены в ходе предстоящих миссий на Титан, включая миссию Dragonfly, разработанную NASA и Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. Космический аппарат Dragonfly, ядерный октокоптер-дрон, который сможет перемещаться с одного научного исследования на другое, планируется к запуску в конце этого десятилетия, а в 2034 году он должен прибыть на Титан. По прибытии он исследует экваториальные песчаные моря Титана в поисках доказательств того, что делает этот спутник таким, какой он есть.
Dragonfly, а также недавние усилия, такие как миссия OSIRIS-REx по возвращению образцов с астероида Бенну, показали ценность концентрации анализа на органических компонентах внешней Солнечной системы, и Миллер выражает надежду на то, что это означает для будущего планетарной науки. «В сообществе внешней Солнечной системы произошел своего рода взрыв интереса к этим органическим веществам, и то, что люди открывают, исследуя эти образцы, будет продолжать расти и действительно, действительно стремительно развиваться».
По мере того как лабораторные эксперименты и роботизированные миссии продолжают углублять наши знания, почти наверняка мы будем воспринимать Титан в новом свете.