Как изучали Титан. Метановые реки и космический ветер на спутнике Сатурна

Титан не видно с Земли невооружённым глазом, да и не всякий оптический инструмент поможет его разглядеть. С момента изобретения первого телескопа прошло почти полвека, прежде чем астрономы установили, что у Сатурна есть своя луна. Открытие сделал в марте 1655 года голландский физик Христиан Гюйгенс, построивший телескоп с пятидесятикратным увеличением. Благодаря новому инструменту ему удалось заметить рядом с Сатурном яркий объект, который Гюйгенс почти сразу определил как естественный спутник с периодом обращения вокруг планеты в шестнадцать суток. До конца века итальянец Джованни Кассини открыл ещё четыре спутника. Два столетия все эти тела оставались безымянными: первый называли либо сатурновой луной, либо гюйгенсовым спутником; остальным Кассини присвоил общее наименование «звёзды Людовика» в честь французского короля, своего покровителя. В итоге Титан получил имя только в 1847 году, после того как Джон Гершель предложил назвать ранее открытые луны в соответствии с мифами о Кроносе — греческом аналоге римского бога Сатурна.До начала космической эры о природных условиях на Титане было мало что известно. О ранних представлениях можно судить, например, по научно-фантастическому очерку Рэймонда Палмера «Город на Титане» (A City on Titan), опубликованном в журнале Amazing Stories (ноябрьский выпуск 1941 года). Автор писал, что учёные предполагают наличие у спутника атмосферы, по плотности сопоставимой с земной и содержащей значительное количества азота. Хотя Титан намного дальше от Солнца, чем наша планета, и получает меньше света, ситуацию исправляет Сатурн с его высокой отражающей способностью, из-за чего местные ночи могут оказаться гораздо светлее земных. Поскольку нет точных доказательств того, что природные условия Титана не позволяют развиться жизни, мы, по словам Палмера, вольны предположить, что она всё-таки есть и даже эволюционировала до появления разума на уровне, близком к человеческому. Поскольку Титан меньше нашей планеты, то и сила тяжести на нём слабее (примерно в семь раз), — благодаря этому там можно возводить циклопические сооружения, причём из благородных металлов, а также развивать сельское хозяйство. В воображении людей на Титане под рассеянным светом росли грибы разных видов, которые собирали местные жители.В 1944 году голландец Джерард Койпер подтвердил наличие у Титана атмосферы, доказав, что она состоит в основном из азота с большим содержанием метана. При этом он ошибся в определении давления — вдвое его занизил. Изучение спутника продолжалось, но вяло: как полагали астрономы, в Солнечной системе есть и более интересные объекты. Отношение к Титану изменилось, когда в ноябре 1980 года американский межпланетный аппарат «Вояджер-1», пролетая мимо Сатурна, провёл наблюдения крупнейшего спутника с близкого расстояния (около 6400 км). Учёные увидели мощную атмосферу с оранжевой дымкой; если верить вычислениям, основанным на результатах измерений, давление у поверхности было в полтора раза выше земного! Популярная теория, гласящая, что небесное тело с относительно низкой гравитацией и без магнитного поля не способно удержать обширную газовую оболочку, была опровергнута.

Узнав физические параметры среды на поверхности Титана, учёные построили модель. Согласно ей получалось, что этот спутник во многом похож на Землю в период её ранней молодости — когда она остыла после формирования из протопланетного облака. Поскольку азотная атмосфера богата углеводородами, то поверхность должна быть покрыта слоем органических соединений, выпадающих как снег. Вероятно, там текут реки из жидкого метана и этана. Из-за того что Титан всё время существования нашей планетной системы оставался вдали от Солнца, на нём могли сохраниться в «законсервированном» состоянии биохимические соединения, аналогичные тем, из которых зародилась жизнь на Земле.Состав вещества, придающего атмосфере оранжевый цвет, оставался неизвестным до тех пор, пока его не удалось синтезировать. Для этого в специальный сосуд закачали смесь азота и метана под соответствующим давлением, после чего пропустили через неё несколько электрических разрядов, — на стенках появилась красноватая плёнка с такими же отражающими свойствами, как у атмосферы Титана. Полученное вещество состоит из сложной цепочки карбонат-гидридов — оно получило название «солин» (от греческого слова «грязь»). На Титане оно образуется в результате разложения метана под действием ультрафиолета из солнечного света.

Свист с «Гюйгенса»

Впрочем, даже после получения данных, собранных «Вояджером», Сатурн с системой его спутников оставался малоизученным, поэтому в 1982 году Европейский научный фонд предложил реализовать международный проект — отправить туда большую исследовательскую станцию, снабжённую зондом для посадки на Титан. При дальнейшем обсуждении станция получила имя «Кассини», а зонд — «Гюйгенс». В январе 1991 года было опубликовано европейско-американское соглашение о начале работы над созданием этих уникальных космических аппаратов. Она продолжалась шесть лет, и 15 октября 1997 года с мыса Канаверал стартовала ракета-носитель «Титан-4», которая вывела межпланетную станцию на отлётную траекторию.

В июле 2004 года станция прибыла в систему Сатурна, 25 декабря «Гюйгенс» отделился от «Кассини», а 14 января 2005 года на высоте 1270 км начал спуск в атмосферу Титана. На погашение скорости с помощью парашютов и изучение состава атмосферы у зонда ушло больше двух часов. Вытяжной парашют раскрылся первым на высоте примерно 170 км; за ним был введён в действие основной диаметром 8,3 м. Позже отделился защитный экран и начали работать приборы, исследующие состав атмосферы. На высоте 125 км, после отстрела основного парашюта, раскрылся стабилизирующий диаметром 3 м. Когда до поверхности оставалось всего 700 м, «Гюйгенс» включил мощную фару, чтобы осветить место посадки.Пока зонд спускался, он обнаружил присутствие ветра на высотах от 19,2 до 9,6 км; скорость движения воздуха составляла 7 м/с. «Гюйгенс» даже сумел через микрофон записать его свист — любой человек может зайти на сайт Европейского космического агентства и послушать неумолчную песню далёкого чужого мира.

Приборы начали анализировать образцы атмосферы Титана на высоте около 150 км. Основным компонентом, как и было установлено ранее, оказался азот, но по мере снижения зонда быстро росла концентрация метана. Выяснилось, что метан — точно так же, как водяной пар на Земле, — висит над Титаном в виде мельчайших капель, образует облака и выпадает в виде дождя. Туман у поверхности, вероятно, тоже метановый. Углекислого газа в атмосфере Титана почти нет — ему не из чего образоваться, ведь кислород связан водным льдом. Впрочем, если бы вместе с метаном в атмосферу поступал и кислород, она стала бы весьма взрывоопасной. Интересен и тот факт, что в атмосфере был найден изотоп аргон-40, что указывает на вулканическую активность — только вместо силикатной лавы из недр извергаются водный лёд и аммиак. Температура атмосферы в начале спуска составляла 70,5 К (−202,7 °С); у поверхности Титана «воздух» оказался немного теплее — 93,8 К (−179,4 °С).Зонд не плюхнулся в метановое озеро, но и не ударился о твёрдый грунт — пенетрометр в нижней аппарата углубился на 15 см. Джон Зарнеки, научный руководитель посадочного комплекса аппаратуры, по результатам анализа заявил, что поверхность под «Гюйгенсом» представляла собой твёрдую корку, скрывающую увлажнённый грунт. Акселерометры показали, что за время работы на поверхности, продолжавшейся 72 минуты 13 секунд, сам зонд погрузился на глубину 10−15 см — очевидно, не остывший ещё аппарат частично расплавил грунт, состоящий из водного и углеводородного льда. Учёные сделали вывод, что сравнительно недавно в месте посадки прошёл метановый дождь.

Телекамеры видимого и инфракрасного диапазонов сделали снимки поверхности на последних стадиях спуска, и из них была собрана мозаика района посадки. Комментируя полученные изображения, Торренс Джонсон, сотрудник Лаборатории реактивного движения, заявил журналистам: «Мы надеялись, что поверхность будет странной на вид — всегда приятно увидеть что-нибудь такое, как в научно-фантастических фильмах, но это превзошло все наши ожидания. Я имею в виду, что это не просто ландшафт, усеянный кратерами от столкновений с метеоритами, с несколькими горными хребтами и возвышенностями. Это активное, живое место, взаимодействующее с атмосферой, как Земля и, в древности, Марс. Вместе с тем все происходит совсем в других условиях, за всё отвечает не вода и не дождь из водяных облаков. Мы имеем дело с тем, что на Земле назвали бы криогенными образованиями, — холодными жидкими газами, которые, однако, создали место, выглядящее необычайно знакомо. Поверхность, подвергшаяся эрозии. Видно нечто, похожее на каналы. Когда вы смотрите на Луну, на возвышенности Марса, вы не видите ничего подобного — просто бесплодный ландшафт с кратерами. Здесь же, очевидно, речь идёт об активной поверхности... Я думаю, большинство моих коллег-геологов согласится, что здесь мы видим фрагмент местности, сошедшей откуда-то под влиянием эрозии жидких этана и метана. С собой он принёс эти глыбы водяного льда, обтесав их по дороге». При спуске не обошлось без проблем. Один из каналов передачи информации оказался потерян из-за ошибки в программе, так что часть данных получить не удалось. Но их сумели реконструировать, опираясь на сведения, собранные как аппаратурой «Гюйгенса», так и с помощью наземных измерений, — во время спуска за зондом наблюдали восемнадцать земных радиотелескопов. К примеру, по их замерам изменений радиосигнала ученые вычислили скорость ветра на разных высотах. Достижения современной радиоастрономии (точность — плюс-минус метр в секунду) поражают, ведь расстояние до зонда превышало миллиард километров, а мощность его передатчика сравнима с мощностью обычного сотового телефона!

Жизнь на Титане

Теоретическая модель Титана, созданная учёными ещё в начале 1980-х годов, блестяще подтвердилась. Твердый как камень водный лёд составляет верхнюю оболочку спутника, а метан и этан, участвующие в активном круговороте веществ, формируют русла, каналы, дно озёр и морей. Мелководья и острова похожи на земные, хотя и созданы жидкостями с совсем иными свойствами.

Изучение Титана продолжила станция «Кассини». Во время пролётов на относительно малых высотах она провела радиолокационное исследование поверхности и съёмку в различных диапазонах спектра. Среди прочего, ещё раз был подтверждён вывод, сделанный по результатам спуска «Гюйгенса»: в атмосфере Титана не просто присутствуют разнообразные углеводородные соединения — её внешний слой кишит ими! Как показал анализ пролётных данных, некоторые из них содержали до семи атомов углерода, другие — до семи атомов азота (цианистые соединения, нитрилы). Учёные полагают, что атмосфера Титана — своеобразная лаборатория органической химии, где есть все шансы на зарождение жизни.Сведения, собранные «Кассини» и «Гюйгенсом», породили спекулятивные гипотезы о том, как в необычных природных условиях Титана могла бы появиться жизнь. Наибольшую известность в этой связи получили работы Джонатана Лунина, директора Корнельского центра радиофизики и космических исследований. Он выдвинул гипотезу, что падение крупных метеоритов и астероидов должны разогревать поверхность Титана, образуя «ударные оазисы», — в них вода способна оставаться жидкой на протяжении столетий, чего при наличии богатого набора органических соединений достаточно для появления простейших форм жизни.Однако не исключается и вероятность существования биосферы без воды. В 2014 году Лунин обратился к Паулетту Клэнси, специалисту в области молекулярной динамики, попросив его разработать модель живой клетки, способной функционировать в жидком метане. Как известно, на нашей планете основу жизни составляет мембрана — двойной липидный слой, отделяющий внеклеточную жидкость от внутриклеточной. Пустотелая везикула со стенками из двойного липидного слоя называется липосомой (от греческого слова, обозначающего «жировое тело»). Соответственно, гипотетическая клеточная мембрана, смоделированная группой Клэнси, получила название азотосома («азотное тело»). Она состоит из молекул азота, углерода и водорода, которых предостаточно в морях Титана, и в теории демонстрирует такую же стабильность и гибкость, что и земной аналог. Чтобы выяснить, могут ли в принципе молекулы самоорганизовываться в мембраноподобные структуры, а значит, и образовывать столь специфические формы жизни, исследователи провели скрининг химических соединений. Результат анализа показал, что лучше всего для этого подходит акрилонитрил — бесцветное, токсичное, жидкое органическое соединение, используемое в земных технологиях для производства акриловых волокон, смол и термопластичных материалов. Изучение данных «Кассини», завершённое в 2017 году, подтвердило наличие значительного количества акрилонитрила в атмосфере Титана.

Получив подтверждение своей концепции, Паулетт Клэнси заявил, что следующим шагом будет демонстрация способности модели к воспроизводству и метаболизму на основе метана. Джонатан Лунин, со своей стороны, сообщил, что надеется на перспективу проверки этих идей на самом Титане с помощью нового космического зонда.Возможно, его надежды скоро оправдаются. В июне 2019 года руководство NASA выбрало среди множества других предложений проект Dragonfly («Стрекоза»), который предполагает отправку на Титан винтокрылого летательного аппарата. Он будет перемещаться в атмосфере и совершать посадки в разных местах, отбирая и анализируя образцы. Согласно плану, запуск аппарата с Земли состоится в 2027 году, а спуск на Титан — в 2036 году, после чего аппарат сможет работать там больше двух лет.

Если на спутнике Сатурна действительно обнаружат какие-то микроорганизмы на альтернативной биохимической основе, это открытие произведет революцию в представлениях о распространённости жизни. Придётся признать, что она не уникальна для нашей планеты, что для возникновения и развития ей не нужны условия, аналогичные земным. Трудно предсказать, как после этого изменится наше мировоззрение, — но для науки это будет огромный шаг вперед.