ПопулярнеРедакціяСвіже
КращеОбговорюване

Загадки Титана: что «Вояджер-1» рассказал учёным о спутнике Сатурна?

Этот текст также доступен на русском языке
1

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.

Фото: Архив NASA / Снимки Титана, полученные в 1940-х и 1950-х годах с поверхности Земли, то есть ещё до космической эры.

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.

Фото: NASA/JPL / Два снимка, на которых изображён Титан. Фото слева сделано камерами «Вояджера-1» в 1980-м году, справа — камерами зонда «Кассини» в 2004-м году. Все снимки сделаны с дальних расстояний. Развитие технологий налицо.

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.

Фото: Архив National Geographic / На обложке журнала National Geographic, который вышел в августе 1970-го года, одна из версий того, как может выглядеть Титан. Автор рисунка – чешский художник Людек Пешек.

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.

Фото: NASA / Титан с расстояния 12 млн. км. Снимок сделан аппаратом «Вояджер-1».

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.

Фото: NASA / Титан. Снимок сделал «Вояджер-1» во время сближения со спутником.

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.

Фото: NASA / Снимок Титана, сделанный зондом «Пионер-11» перед сближением с Сатурном 1-го сентября 1979-го года. Фото получено с расстояния 360 000 км. На «Пионерах» камеры были похуже чем на «Вояджерах».

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.

Фото: NASA/JPL / Слой дымки Титана, запечатлённый камерами «Вояджера-1» с расстояния 435 000 км. Фото сделано в ноябре 1980-го года.

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.

Фото: NASA / Титан. Это составное изображение. Составлено из трёх снимков, которые сделал «Вояджер-2» с расстояния 4,5 млн. км. Разрешение снимков 85 километров на 1 пиксель.

«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

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

20

Це користувацький матеріал, який було написано учасником спільноти, що не входить до складу редакції чи адміністрації. Підтримуючи авторів оцінками, ви допомагаєте нашій спільноті розвиватися.

Увійдіть, щоб читати ще 3 коментаря, брати участь в обговореннях та не бачити рекламу.
Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зареєструйтесь на сайті щоб не бачити рекламу, створювати та відслідковувати теми, зберігати статті в особисті закладки і брати участь в обговореннях
Якщо не виходить увійти тут, спробуйте за посиланням.