Вояджер в представлении художника

Впервые люди узнали о Титане благодаря стараниям голландского астронома Христиана Гюйгенса, который открыл этот объект в далеком 1655 году. Целых 300 лет о спутнике Сатурна ученые практически ничего не знали. Мешала плотная дымка, которая полностью скрывала от глаз астрономов поверхность Титана, позже окажется, что это атмосфера.

Далекий мир представлял собой настоящую тайну, и только в 1980 году ее завесу удалось приоткрыть.

Что знали о Титане до запуска первых зондов

До начала космической эры единственным надежным инструментом в арсенале астронома был телескоп. Пусть эти приборы постоянно улучшали, они все равно не позволяли детально изучить отдаленные от Земли объекты. Поэтому знания о Титане оставались достаточно скудными, но это не значит, что о спутнике Сатурна ученые не имели вообще никакого представления.

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

В 1907 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 ученые 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 расчетам, 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 году аппарат «Кассини» подтвердил гипотезу о строении ядра.

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

Расчеты, проведенные 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 году во время наблюдения за Титаном с помощью спектрографа астроном Джерард Койпер обнаружил метан. Ученый предположил, что на спутнике Сатурна должна быть атмосфера, а на поверхности атмосферное давление должно составлять около 1/10 атмосферного давления Земли. Забегая вперед скажем, что Койпер сильно занизил показатели.

Атмосфера — это как раз та деталь, которая отличает Титан от других спутников планет Солнечной системы и делает его уникальным.

Как изучали Титан в эпоху космических кораблей

В начале 1970-х годов американские ученые 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 объем 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? Ученые предположили, что миллиарды лет назад, когда у Титана не было плотной атмосферы, его поверхность бомбардировали кометы, на которых был аммиачный лед. 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 — самый легкий газ, он 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 твердых 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 ученые 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.

На обложке журнала National Geographic, который вышел в августе 1970 года, одна из версий того, как может выглядеть Титан. Автор рисунка чешский художник Людек Пешек
Фото: Архив National Geographic / На обложке журнала National Geographic, который вышел в августе 1970 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 ученого предполагала, что в атмосфере Титана преобладает азот и метан, причем последнего газа там должно быть менее 7%. Согласно гипотезе Хантена, метан на Титане может находиться сразу в трех агрегатных состояниях: в виде газа, жидкости и твердого 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 ученых, можно было только одним способом — отправить к спутнику зонд.

«Вояджер-1» летит к Титану

В 1977 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 атмосферы планет и их температур. Разместили две камеры: узкоугольную и широкоугольную, фокусные расстояния их объективов 1500 мм и 200 мм, угол обзора 0,42° и 3,2°, соответственно.

Титан с рассояния 12 млн. км. Снимок «Вояджера-1»
Фото: NASA / Титан с расстояния 12 млн. км. Снимок «Вояджера-1»

Зонды пронумеровали согласно времени их прибытия к Юпитеру и Сатурну. Путь «Вояджера-2» был длиннее, но такая траектория полета позволяла зонду посетить Уран и Нептун. Траектория полета «Вояджера-1» лежала вблизи Титана: станция должна была сблизиться со спутником Сатурна и пролететь на расстоянии 4000 километров от его поверхности.

Ученые рассчитали, что когда «Вояджер-1» сблизится с Титаном, камеры зонда смогут сфотографировать 50% дневной стороны спутника с разрешением 650 м на пиксель, а почти весь освещенный диск — 90% дневной стороны, с разрешением 1,7 км на пиксель. Полученные изображения должны были помочь специалистам определить протяженность облаков на Титане, природу плотной дымки, а также увидеть небольшую часть поверхности через “разрывы” в облаках. Близкий пролет аппарата над атмосферой спутника помог бы планетологам узнать, обладает ли он собственным магнитным полем.

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

На случай, если бы у «Вояджера-1» во время подлета 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 полета «Вояджера-1». Правда, эти фотографии практически никаких новых данных ученым 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.

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

В ноябре 1980 года, примерно за 18 часов до своего максимального сближения с Сатурном, зонд NASA подошел к Титану на расстояние 3915 км от поверхности спутника.

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.

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

Хотя зонд и обнаружил в атмосфере слои дымки и нашел 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 году, во время цифровой обработки снимков «Вояджера-1», ученые заметили, что на этих фотографиях кое-где просвечивают темные и светлые участки поверхности, которые назовут Xanadu и Shangri-la.

Благодаря «Вояджеру-1» ученые 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, ученые предположили, что на поверхности Титана могут существовать жидкие моря и реки, наполненные смесью жидких углеводородов. Эту гипотезу в 1995 году астрономы подтвердили с помощью «Хаббла», орбитальный телескоп получил доказательства наличия на поверхности спутника Сатурна жидкого метана. Планетолог Дональд Хантен оказался прав, на Титане метан действительно существует в трех агрегатных состояниях.

Post Scriptum

В августе 1981 Титан посетил и «Вояджер-2». Зонд пролетел на расстоянии 664 000 км от спутника и сделал серию снимков этой луны. Пройдет 23 года, прежде чем к Титану ученые отправят следующий аппарат.

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

«Вояджеры» очень близко познакомили ученых с Титаном и ответили на многие вопросы, касательно физических параметров спутника. Однако исследование, проведенное двумя зондами, породило еще больше вопросов, в основном, об условиях на поверхности спутника, скрытой плотной атмосферой.

[Статья по теме: Судьба «Вояджеров». Когда зонды перестанут выходить на связь и что с ними будет дальше?]

Еще ближе ученые подберутся к разгадке тайн поверхности Титана после запуска миссии «Кассини-Гюйгенс» в 1997 году, которая состояла из спускаемого аппарата и орбитального зонда, но это уже другая история.

Статья перепечатана с нашего канала

Предлагаем дружбу: Twitter, Facebook, Telegram

Смотрите нас на youtube. Следите за всем новым и интересным из мира науки на нашей страничке в Google Новости, читайте в Яндекс Дзен наши материалы, не опубликованные на сайте.

Нашли ошибку? Пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

Источник: drewexmachina.com

Всего комментариев: 0

ДОБАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваш email не будет опубликован.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: