Титан - крупнейшая луна Сатурна, единственный спутник в Солнечной системе, обладающий плотной атмосферой. У Титана есть ряд загадочных свойств, благодаря чему он привлекает повышенное внимание астрономов и космических агентств. Подробно расскажем о загадках Титана и коротко о миссиях по его изучению.
Землеподобный рельеф
Титан - единственное место в Солнечной системе, где есть все тоже самое что и на Земле, но с другим составом. На Титане есть азотистая атмосфера, плотная, но прозрачная, в которой появляются облака и тучи, бывают штормовые ветра. Там гораздо холоднее, чем нужно для существования жидкой воды, порядка минус 180 градусов Цельсия на поверхности. Однако, на Титане идут дожди, есть реки и моря из метана, этана и бутана. Есть горы и вулканы, но извергаются они холодным содержимым подповерхностного океана. Есть песчаные дюны и равнины из углеводородов. У всего этого ландшафтного разнообразия есть физические модели, к которым нет серьезных вопросов. Однако, они строятся на предположениях, которые хорошо бы проверить.
Тайна Арракиса
Обширные области темных дюн занимают, в основном, экваториальные регионы Титана. Материал этих дюн состоит из углеводородов, которые, как предполагается, похожи на кофейную гущу. Из-за визуального сходства, равнину в южном полушарии Титана назвали Арракис, в честь «Дюны» Френка Герберта.
На любых снимках видно, что дюны Арракиса - полосатые. Что-то придает гораздо более темный цвет их верхушкам. Это небольшая загадка. Есть версия, что на дюнах оседает углеродная пыль. Дюны Титана подвижны. Они смещаются ветрами, омываются дождями и немного раскрывают геологию того что под ними находится. Вся эта динамика не мешает верхушкам дюн всегда быть темнее низушек, но хотелось бы знать конкретный механизм, за это ответственный.
Тайна Шангри-Ла
Шангри-Ла - песчаная равнина, хорошо очерченная дюнами на снимках аппарата «Кассини». В литературе, Шангри-Ла — это мистическая волшебная страна в Гималаях из романа Джеймса Хилтона «Потерянный горизонт».
В 2004 году была запущена миссия "Кассини-Гюйгенс", состоящая из орбитального аппарата "Кассини", благодаря данным которого мы и узнали о почти о всех тайнах Титана, включая Шангри-Ла. "Гюйгенс" - спускаемый аппарат миссии, совершивший мягкую посадку а западную часть этой области.
Шангри-Ла - это темная область, хорошо заметная на орбитальных снимках Титана. Загадкой является как ее происхождение, так и то, почему она так выделяется на общем фоне. На Титане почти не заметно кратеров ударного происхождения, однако есть версия, что Шангри-Ла образовалась от падения астероида. Предположительно, равнина была заполнена жидкостью, но сейчас её там нет. Шангри-Ла усеяна светлыми «островами», высота которых значительно больше, чем у окружающего ландшафта.
Шангри-Ла не заняла такого места в массовой культуре как Роковая гора (гора на Марсе) или Мордор (красное пятно Харона). Однако, эзотерики ее знают и уважают. Например, Эрнст Мулдашев сочинил свои сказки о путешествии по Тибету, переписав «Потерянный горизонт».
Кракен в Море Лигеи
На Титане есть три крупных метановых моря: Кракена (исландское мифическое чудовище), Лигейи (древнегреческая сирена) и Пунги (мифологический предок всех страшных существ у маори). В темных морях есть светлые острова. Тайной островов моря Лигеи является то, что некоторые из них пропадают и появляются вновь. Объяснений этому может быть множество. Например, есть версия что некоторые светлые участки снимков - не острова, а гигантские пузырьки, которые существуют ограниченное время. Впрочем, могут быть и другие версии. Возможно, астрономы допустили серьезную ошибку и Кракен водится в Море Лигеи, а не в море Кракена.
Жизнь на Титане
В Солнечной системе не так много мест, где астробиологи рассчитывают найти жизнь. Основные - это Марс, Европа, Ганимед и Титан.
Метан
Метан делает возможным сложную химию атмосферы Титана, что можно считать биомаркером. Откуда берется метан в том количестве, которое наблюдается на Титане - загадка. Солнечный свет должен постоянно разрушать атмосферный метан, а значит какой-то источник должен пополнять его запасы. Есть версия, что метан попадает в атмосферу Титана при криовулканизме - выбросах содержимого холодного подповерхностного океана Титана, который содержит соленую воду с 5 - 10 % метана. Но есть и смелое предположение с участием микроорганизмов.
Подповерхностный океан
Гравитационные измерения орбитальным аппаратом "Кассини" показали, что Титан скрывает подземный океан жидкой воды, смешанной с солями натрия, калия и серы и аммиаком, на глубине от 50 до 100 километров под ледяной поверхностью спутника. Из-за приливных сил Сатурна, ядро Титана может разогреваться и некоторый слой подповерхностного океана может быть достаточно теплым. Отсюда есть два любопытных вывода:
- поверхность Титана свободно двигается вокруг ядра, живет своей жизнью;
- в теплом слое подповерхностного океана могут сложиться условия для зарождения жизни.
Похожи ли эти условия на те, что привели к зарождению жизни на Земле? Не идеально. Наличие углерода, водорода, азота, серы, воды и тепла - совпадают. Аммиак и полное отсутствие света - отличаются. А еще, как нам точно не известен состав первичного бульона на Земле, так и состав океана Титана.
Реки и озера
Водоемы Титана состоят из жидких этана (76 - 79 %), пропана (7 - 8 %), метана (5 - 10 %), бутилена (около 1 %) и других веществ в меньших количествах. Любопытно, что температура - 180 градусов Цельсия и давление в 1,47 атмосферы Земли позволяют существовать как плавучему льду из углеводородов, так и льду, который тонет. Все это может служить пригодной для жизни средой на поверхности Титана, если существует механизм зарождения жизни отличающийся от земного, что тоже смелое предположение.
Получается, теоретически, на Титане могут существовать две совершенно разные формы жизни, разделенные сотней километров поверхностного льда. Это похоже на популярный сюжет в фэнтези, где под землей открывается затерянный мир с мистическим обитателями. Но, писателям пришлось бы хорошенько напрячься, чтобы описать жизнь, соответствующую как поверхности, так и недрам Титана. Впрочем, убедительных свидетельств жизни на Титане на данный момент нет. Жизнь на Земле и вне ее - одна из главных нерешенных космических загадок, применимая и к Титану.
Атмосфера
Атмосфера Титана плотнее земной. На поверхности спутника атмосферное давление примерно на 50 % выше, чем на уровне моря на Земле. Поскольку Титан менее массивен, чем Земля, его гравитация не так плотно прижимает газовую оболочку, поэтому плотная часть атмосферы достигает 600 километров в высоту. На нашей планете границей между земной авиацией и космонавтикой считают линию Кармана на высоте 100 км.
Загадка волчка
20 мая в журнале PLANETARY SCIENCE была опубликована статья о странном угле наклона вращения атмосферы Титана, которая не вращается вместе с поверхностью, а живет своей жизнью. Бристльский университет, причастный к исследованию выпустил об этом пресс-релиз, который мы процитируем:
Атмосфера Титана, похоже, действует как гироскоп, стабилизируя себя в пространстве. Мы думаем, что какое-то событие в прошлом, возможно, сбило атмосферу с оси вращения, заставив ее колебаться. Еще более интригующе, что мы обнаружили, что размер этого наклона меняется с сезонами Титана.
Что озадачивает, так это то, как направление наклона остается фиксированным в космосе, а не под влиянием Солнца или Сатурна. Это дало бы нам подсказки к причине. Вместо этого у нас на руках новая тайна.
Тот факт, что атмосфера Титана ведет себя как волчок, отсоединенный от своей поверхности, вызывает много вопросов - не только о Титане, но и о физике атмосферы в широком смысле, в том числе на Земле.
Пропажа фотографий Гюйгенса
В 2004 году была запущена миссия "Кассини-Гюйгенс", состоящая из орбитального аппарата "Кассини", благодаря данным которого мы и узнали о всех тайнах Титана, описанных выше. "Гюйгенс" - спускаемый аппарат, совершивший мягкую посадку на поверхность спутника. И с ним не все ясно.
До физиков из группы визуализации "Гюйгенса" дошла только половина фотографий, сделанных аппаратом. Ожидалось получить более 700 изображений с 2,5-часового полета, а было получено только около 350. Данные точных изменений скорости ветра также были потеряны.
«Гюйгенс» передавал данные с поверхности Титана на орбитальный аппарат «Кассини» по двум независимым каналам связи. В космосе все дублировано на случай выхода одного устройства из строя. На один из модулей связи не была отправлена команда к запуску и это как раз та ситуация, для которой их было сделано два. Так почему же половина данных все равно потерялась?
Ученые решили передавать данные сразу по двум каналам, не дублируя их, как это было задумано, а по очереди - одно фото по каналу А, второе по каналу Б. Решение привело к потере половины данных. Официальная версия, объясняет пропажу феноменальной глупостью: одни ученые забыли включить канал Б, другие забыли принципы космической надежности.
Миссии по покорению Титана
Миссия «Кассини-Гюйгенс» демонстрирует, что технологиями двадцатилетней давности можно и добраться до Титана за 7 лет и высадиться на его поверхность. Но как сделать это круто?
До Титана за 2 года
В июле 2020 года ученые из лаборатории физики плазмы Принстона опубликовали проект миссии по достижению Титана всего за 2 года. Для этого всего лишь нужно освоить стабильный управляемый термоядерный синтез. Первая установка, созданная с этой целью появилась более 70 лет назад, а воз и ныне там. Впрочем, физики Принстона имеют на руках прототип, способный работать примерно секунду. Удачное окно для полета на Титан откроется в 2046 году. Нужно всего лишь за 20 лет увеличить длительность стабильной работы реактора в 31,5 миллион раз. Да, авторы проекта предполагают, что двигатель Direct Fusion Drive (DFD) будет работать как в импульсном, так и в постоянном режиме, и чтобы подлетное время до Титана было минимальным, нужно обеспечить непрерывную работу.
Стартап Pulsar Fusion нарисовал уже второй концепт ракеты для двигателя DFD. Первый был логичным и похож на обычную ракету. Второй похож на спорный автомобиль от Илона Маска - кибертрак, и предполагает сразу два DFD вместо одного. Сомнительно, но ок.
Миссия «Стрекоза»
Миссия Dragonfly в настоящее время планируется к запуску в июле 2028 года. Это вертолет размером с автомобиль, который попытается ответить на вопросы о происхождении жизни. Процитируем описание от NASA.
Стрекоза - это миссия по исследованию химии, которая была до зарождения жизни на Земле. Чтобы получились биологические молекулы, должен быть этап формирования сложной химии из простой. Титан может позволить нам раскрыть тайну этого перехода.
Титан - это нетронутая химическая лаборатория, в которой есть все ингредиенты для известной жизни - органические вещества, жидкая вода и источник энергии. Dragonfly улучшит понимание того, подчиняется ли химический состав, который стал жизнью на Земле, универсальному правилу или является уникальной случайностью.
Титановые пейзажи
Основные фото и видео материалы, которые удалось получить от "Гюйгенса" находятся на сайте Лаборатории реактивного движения NASA. Процитируем описание самых интересных снимков.
Эффект «рыбьего глаза»
Это стереографические широкоугольные снимки поверхности Титана с шести разных высот. Изображения, сделаны спектральным радиометром спускаемого аппарата "Гюйгенс", показывают слой дымки на высоте от 20 до 21 километра. Изображения были сделаны 14 января 2005 года.
Посадка "Гюйгенса"
Этот фильм был создан при помощи данных, собранных во время 147-минутного погружения через густую оранжево-коричневую атмосферу Титана в мягкое песчаное русло реки с помощью спектрального радиометра 14 января 2005 года. За 4 минуты и 40 секунд фильм показывает, что зонд "увидел" в течение нескольких часов после спуска и посадки. При приближении Титан появился как маленький диск в небе среди звезд, но после приземления камера зонда рассмотрела маленькие песчинки в миллионы раз меньше Титана.
Сначала камера Гюйгенса просто увидела туман над далекой поверхностью. Туман начал рассеяться только на высоте около 60 километров, что позволило различать детали рельефа размером до 100 метров. Только после приземления камера зонда могла различить маленькие песчинки. Фильм дает представление о таком огромном изменении масштаба.
Что еще посмотреть?
Автор статьи - Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Группа ВК, Телеграмм канал, Ютуб канал