Загадки Титана: что «Вояджер-1» рассказал учёным о спутнике Сатурна?
Впервые люди узнали о Титане благодаря стараниям голландского астронома Христиана Гюйгенса, который открыл этот объект в далёком 1655-м году. Целых 300 лет о спутнике Сатурна учёные практически ничего не знали. Мешала плотная дымка, которая полностью скрывала от глаз астрономов поверхность Титана. Как выяснилось позже – это его атмосфера.
Далёкий мир представлял собой настоящую тайну, и только в 1980-м году её завесу удалось приоткрыть.
Что знали о Титане до запуска первых зондов
До начала космической эры единственным надёжным инструментом в арсенале астронома был телескоп. Пусть эти приборы постоянно улучшали, они всё равно не позволяли детально изучать отдалённые от Земли объекты. Поэтому знания о Титане оставались достаточно скудными. Но это не значит, что о спутнике Сатурна учёные не имели вообще никакого представления.
В 1907-м году испанский астроном Хосе Комас Сола утверждал, что во время наблюдений за спутником Сатурна видел на краю диска потемнения и светлые пятнышки в его центре. Некоторые учёные тогда предположили, что эти детали могут указывать на наличие атмосферы, но на эту идею в то время никто не обратил должного внимания.
Чуть позже, изучив влияние Титана на движение других спутников планеты-гиганта, астрономы вычислили его приблизительный диаметр и массу. Согласно расчётам, диаметр составлял около 5000 км, а масса превышала массу Луны в 1,82 раза. Такое соотношение массы к диаметру указывало, что ядро Титана должно состоять из камней и льда, которые распределены в пропорции 50/50. В 2010-м году аппарат «Кассини» подтвердил эту гипотезу о строении ядра.
Расчёты, проведённые немецким астрономом Рупертом Вильдтом из Геттингенского университета в 1930-х годах, показали, что Титан – массивный холодный мир, способный удерживать атмосферу из газов с относительной молекулярной массой 16 и более.
В 1944-м году, во время наблюдения за Титаном с помощью спектрографа, астроном Джерард Койпер обнаружил метан. Учёный открыл на спутнике Сатурна атмосферу, и предположил, что на поверхности Титана атмосферное давление должно составлять около 1/10 атмосферного давления Земли. Забегая вперёд скажем, что Койпер сильно занизил показатели.
Атмосфера – это как раз та деталь, которая отличает Титан от других спутников планет Солнечной системы, делая его уникальным.
Как изучали Титан в эпоху космических кораблей
В начале 1970-х годов американские учёные провели серию спектроскопических наблюдений за Титаном и выяснили, что содержание метана в атмосфере спутника гораздо выше, чем думал Койпер. Астрономы также обнаружили там следы другого газа; предполагалось, что его объем в атмосфере будет гораздо больше, чем объём метана. Но специалисты столкнулись с проблемой – с поверхности Земли было невозможно определить, что это за газ. Выдвигались различные гипотезы; например, что это азот.
Откуда же он там взялся? Учёные предположили, что миллиарды лет назад, когда у Титана не было плотной атмосферы, его поверхность бомбардировали кометы, на которых был аммиачный лёд. Со временем аммиак попал в недра Титана. Когда же он поднимался из недр, то подвергался воздействию ультрафиолетового излучения – происходило так называемое фотохимическое разложение аммиака на водород и азот. Водород, как самый лёгкий газ, просто улетучивался в космос, а азот, который “потяжелее”, притяжение Титана удерживало, и он опускался вниз, к поверхности. Так, со временем, у спутника Сатурна сформировалась азотная атмосфера.
Чуть позже, благодаря инфракрасным фотометрическим измерениям, специалисты выяснили, что в атмосфере Титана присутствуют и другие газы: этан, этилен и ацетилен, а также некоторые органические соединения вроде бензола, и частицы твёрдых аэрозолей. Все они появляются в результате фотолиза метана: под воздействием солнечного и космического излучения некоторые молекулы метана испытывают фотохимические превращения.
На основе имеющихся в то время гипотез о составе атмосферы Титана, специалисты стали строить математические модели, чтобы попытаться раскрыть тайны спутника Сатурна.
Одни учёные утверждали, что у Титана очень тонкая атмосфера, состоящая, в основном, из метана; на поверхности атмосферное давление составляет около 2% от атмосферного давления Земли, а температура достигает от -113°C до -193°C.
Другие говорили, что у спутника Сатурна атмосфера очень толстая, в ней преобладает азот, концентрация метана не более 7%, а атмосферное давление на поверхности в 21 раз больше земного, температура же не превышает -73°C.
Но ближе всех к истине был планетолог Дональд Хантен из Аризонского университета. Модель учёного предполагала, что в атмосфере Титана преобладают азот и метан, причём последнего газа там должно быть менее 7%. Согласно гипотезе Хантена, метан на Титане может находиться сразу в трёх агрегатных состояниях: в виде газа, жидкости и твёрдого тела. На спутнике Сатурна он должен играть ту же роль, что и вода на Земле: выпадать на поверхность в виде дождя и снега, а также же формировать озера и реки.
Поставить точку в вопросе касательно состава атмосферы Титана, а также узнать, что скрывает плотная дымка от глаз учёных, можно было только одним способом – отправить к спутнику зонд.
«Вояджер-1» летит к Титану
В 1977-м году с разницей в 16 дней в долгое космическое путешествие инженеры NASA отправили два зонда: «Вояджер-2» и «Вояджер-1». Целью аппаратов были газовые гиганты Солнечной системы и их спутники.
[Статья по теме: Что «Вояджер-1» увидел на спутнике Юпитера Ио]
На каждый из зондов специалисты установили одинаковый набор приборов для измерения частиц низких энергий, плазмы и магнитных полей. Также поставили ультрафиолетовые и инфракрасные спектрометры для измерения состава атмосфер планет и их температур. Разместили две камеры: узко- и широкоугольную, фокусные расстояния их объективов 1500 мм и 200 мм, угол обзора 0,42° и 3,2°, соответственно.
Зонды пронумеровали согласно времени их прибытия к Юпитеру и Сатурну. Путь «Вояджера-2» был длиннее, но такая траектория полёта позволяла зонду посетить Уран и Нептун. Траектория полёта «Вояджера-1» лежала вблизи Титана: станция должна была сблизиться со спутником Сатурна и пролететь на расстоянии 4000 километров от его поверхности.
Учёные рассчитали, что когда «Вояджер-1» сблизится с Титаном, камеры зонда смогут сфотографировать 50% дневной стороны спутника с разрешением 650 метров на пиксель, а почти весь освещённый диск – 90% дневной стороны, с разрешением 1,7 км на пиксель. Полученные изображения должны были помочь специалистам определить протяжённость облаков на Титане, природу плотной дымки, а также увидеть небольшую часть поверхности через “разрывы” в облаках. Близкий пролёт аппарата над атмосферой спутника помог бы планетологам узнать, обладает ли он собственным магнитным полем.
На случай, если бы у «Вояджера-1» во время подлёта к Титану возникли проблемы, у NASA имелся запасной план. Агентство направило бы к спутнику «Вояджер-2», зонд должен был бы пролететь на расстоянии 12 000 км от поверхности Титана и исследовать его атмосферу, а после продолжить свою основную миссию.
Исследование Титана
Первые детальные снимки Титана сделал зонд «Пионер-11». Он был первым космическим аппаратом, посетившим систему Сатурна. Это произошло за год до полёта «Вояджера-1». Правда, эти фотографии практически никаких новых данных учёным не дали. С их помощью специалисты уточнили лишь массу спутника и выяснили, что это слишком холодный мир для поддержания той жизни, которую мы знаем. Поэтому исследование Титана для «Вояджера-1» стало ключевой задачей.
В ноябре 1980-го года, примерно за 18 часов до своего максимального сближения с Сатурном, зонд NASA подошёл к Титану на расстояние 3915 км от поверхности.
Данные приборов «Вояджера-1» показали, что Титан имеет непрозрачную и плотную атмосферу, в состав которой входят метан, большое количество азота, другие газы и органические аэрозоли. Выяснилось, что именно из-за этих аэрозолей атмосфера спутника приобретает коричневатый оттенок.
Хотя зонд и обнаружил в атмосфере слои дымки и нашёл в них небольшие “разломы”, но его камеры не были чувствительны для ближнего инфракрасного спектра, поэтому увидеть поверхность аппарату не удалось. Или почти не удалось. В 2004-м году, во время цифровой обработки снимков «Вояджера-1», учёные заметили, что на этих фотографиях кое-где просвечивают тёмные и светлые участки поверхности, которые назовут Ксанаду (Xanadu) и Шангри-Ла (Shangri-la).
Благодаря «Вояджеру-1» учёные уточнили диаметр Титана, который составил 5150 км, а также узнали, что давление у поверхности спутника примерно в 1,6 раза превышает давление земной атмосферы. Оказалось, что средняя температура на Титане достигает -180°C. Специалисты установили, что луна Сатурна является вторым по размеру спутником Солнечной системы после Ганимеда (спутник Юпитера).
На основе информации, собранной американским аппаратом, учёные предположили, что на поверхности Титана могут существовать моря и реки, наполненные смесью жидких углеводородов. Эту гипотезу в 1995-м году астрономы подтвердили с помощью телескопа «Хаббл». Орбитальная обсерватория получила доказательства наличия на поверхности спутника Сатурна жидкого метана. Планетолог Дональд Хантен оказался прав: на Титане метан действительно существует в трёх агрегатных состояниях.
Post Scriptum
В августе 1981-го года Титан посетил и «Вояджер-2». Зонд пролетел на расстоянии 664 000 км от спутника и сделал серию снимков этой луны. Пройдёт 23 года, прежде чем к Титану учёные отправят следующий аппарат.
«Вояджеры» очень близко познакомили учёных с Титаном и ответили на многие вопросы касательно физических параметров спутника. Однако исследование, проведённое двумя зондами, породило ещё больше вопросов, в основном, об условиях на поверхности спутника, скрытой плотной атмосферой.
[Статья по теме: Судьба «Вояджеров». Когда зонды перестанут выходить на связь и встретятся со звездами?]
Ещё ближе учёные подберутся к разгадке тайн поверхности Титана после запуска миссии «Кассини-Гюйгенс» в 1997-м году, которая состояла из спускаемого аппарата и орбитального зонда. Но это уже другая история.
Статью подготовил редактор интернет-издания “Северный маяк” Игорь Байдов. Материал перепечатан с нашего сайта.
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости
Як на мене, дуже далекосяжний результат. По-перше, це доказ того, що подібні астероїди буде дуже легко розробляти.…
зараз мова йде про випробування концепції таких апаратів і алгоритмів їх взаємодії. Суто як перший крок, малорозмірне…
Я, в начале, так и подумал, но нужно учитывать возможные возражения с стороны Спейсов и подготовку на…
Цитата(перевод): > SpaceX добивается разрешения на использование до 7500 спутников Starlink второго поколения с диапазонами частот 1,6…
> Не смотря на то, что я считаю, что незаконные мигранты склонны нарушать закон, всё что Вы…
>Кремлю придётся вывести часть войск из Украины, чтобы поддерживать порядок внутри страны, и нашим защитникам будет легче.…
С 20.03 по 23.03 слушали в надежде на пробуждение Odie. К сожалению, ничего не вышло и миссию…
>Но вас не поддержит запад, когда вам захочется устраивать расстрел гражданских в ТРЦ. Я ж написал: я…
Пам'ятаю цей запуск. Більше всього мене тоді вразила холоднокровність командира екіпажу.
>Все остальные – как минимум платят налоги. Окей, да, в целом - можно так притянуть. Но вас…
Такая схема может вполне заменить первую ступень, но окупится лишь в случае регулярного использования рельсотона по нескольку…
>Это военный объект. По праву обороняющейся стороны – легальный объект. Вот НПЗ, нефтебазы, мосты, железная дорога -…
>Нет, не так. С одной стороны вторжение миллионов мигрантов на территорию США Ну так я же писал,…
Я прочитал ответ Ави злопыхателям полностью, но не считаю его сколько-нибудь серьезным. > А уж давать в…
> В чистом виде argumentum ad hominem. Как я понял, Вы прочитали только последнюю строчку. 36 строк…
сподіваюсь на Веббі немає такої проблеми
Дополнение: Заявка была по упрощенным правилам, без изучения вопросов интерференции, отказ получили через год. Можно только вообразить…
Спейсам придется поумерить свой аппетит, т.к. FCC отклонила их заявку на дополнительный спектр для мобильных приложений для…
Так же не обойдется без AI 5g expertise
“Це ж вже було»
Здається, я знаю чим можна вальнути по москві
Фанат Хайнлайна во мне конечно хочет чтобы это сработало. Но унылый взрослый во мне напоминает, что вся…
Думаю склон найти не проблема, гор хватает, главное чтоб сама установка дала положительный результат. Есть целые ровные…
Вот так и надо "сохранять рабочие места", будь то руководитель, инженер, или крутильщик гаек. А то взяли…
осталось найти пологий склон высотой в 5 км