Титан — крупнейший спутник Сатурна и второй по величине в Солнечной системе , больше любой из карликовых планет Солнечной системы. Это единственная луна , имеющая плотную атмосферу , и единственный известный объект в космосе, кроме Земли , на котором были обнаружены явные доказательства существования стабильных тел с поверхностной жидкостью. [16]
Титан — один из семи гравитационно закругленных спутников на орбите Сатурна и второй из этих семи наиболее удаленных от Сатурна спутников. Титан, который часто называют планетоподобным спутником , на 50% больше (в диаметре) земной Луны и на 80% массивнее. Это второй по величине спутник в Солнечной системе после спутника Юпитера Ганимеда , он больше планеты Меркурий , но его масса составляет лишь 40% .
Обнаруженный в 1655 году голландским астрономом Христианом Гюйгенсом , Титан был первым известным спутником Сатурна и шестым известным планетарным спутником (после Луны Земли и четырех галилеевых спутников Юпитера). Титан вращается вокруг Сатурна на расстоянии 20 радиусов Сатурна. С поверхности Титана Сатурн образует дугу в 5,09 градуса, и если бы его можно было увидеть сквозь плотную атмосферу Луны, на небе он казался бы в 11,4 раза больше в диаметре, чем Луна с Земли, дуга которой составляет 0,48°.
Титан в основном состоит из льда и скалистого материала, который, вероятно, состоит из каменистого ядра, окруженного различными слоями льда, включая корку льда I h и подповерхностный слой жидкой воды, богатой аммиаком. [17] Как и в случае с Венерой до космической эры , плотная непрозрачная атмосфера препятствовала пониманию поверхности Титана до тех пор, пока миссия Кассини-Гюйгенс в 2004 году не предоставила новую информацию, включая открытие озер жидких углеводородов в полярных регионах Титана и открытие его атмосферы . супер-вращение . Геологически молодая поверхность в целом гладкая, с небольшим количеством ударных кратеров , хотя были обнаружены горы и несколько возможных криовулканов .
Атмосфера Титана состоит в основном из азота ; второстепенные компоненты приводят к образованию метановых и этановых облаков и тяжелой азоторганической дымки . Климат, включая ветер и дождь, создает элементы поверхности, подобные земным, такие как дюны, реки, озера, моря (вероятно, состоящие из жидкого метана и этана) и дельты, и здесь, как и на Земле, преобладают сезонные погодные условия. Метановый цикл Титана с его жидкостями (как на поверхности, так и под поверхностью) и прочной азотной атмосферой имеет поразительное сходство с водным циклом Земли , хотя и при гораздо более низкой температуре - около 94 К (-179 ° C; -290 ° F). Благодаря этим факторам Титан был описан как наиболее похожий на Землю небесный объект в Солнечной системе. [18]
Титан был открыт 25 марта 1655 года голландским астрономом Христианом Гюйгенсом . [19] [20] Гюйгенс был вдохновлен открытием Галилеем четырех крупнейших спутников Юпитера в 1610 году и его усовершенствованиями в технологии телескопов . Кристиан с помощью своего старшего брата Константина Гюйгенса-младшего начал строить телескопы около 1650 года и открыл первую наблюдаемую луну, вращающуюся вокруг Сатурна, с помощью одного из построенных ими телескопов. [21] Это был шестой спутник , когда-либо обнаруженный, после Луны Земли и галилеевых спутников Юпитера . [22]
Титан — самый большой и яркий спутник Сатурна, поэтому его легче всего наблюдать с помощью стандартного оптического телескопа с Земли.
Гюйгенс назвал свое открытие Saturni Luna (или Luna Saturni , что по латыни означает «спутник Сатурна»), опубликовав в 1655 году трактат De Saturni Luna Observatio Nova ( «Новое наблюдение Луны Сатурна »). [23] После того, как Джованни Доменико Кассини опубликовал свои открытия еще четырех спутников Сатурна между 1673 и 1686 годами, у астрономов появилась привычка называть их и Титан Сатурном с I по V (Титан тогда занимал четвертое положение). Другие ранние эпитеты Титана включают «обычный спутник Сатурна». [24] Международный астрономический союз официально причисляет Титан к Сатурну VI . [25]
Название Титан и названия всех семи известных тогда спутников Сатурна пришли от Джона Гершеля (сына Уильяма Гершеля , первооткрывателя двух других спутников Сатурна, Мимаса и Энцелада ) в его публикации 1847 года « Результаты астрономических наблюдений, сделанных в течение многих лет». 1834, 5, 6, 7, 8, на мысе Доброй Надежды . [26] [27] С тех пор вокруг Сатурна было обнаружено множество небольших спутников. [28] Спутники Сатурна названы в честь мифологических гигантов. Название Титан происходит от Титанов , расы бессмертных в греческой мифологии . [25]
Титан вращается вокруг Сатурна каждые 15 дней и 22 часа. Как и у Луны Земли и многих спутников планет-гигантов , период ее вращения (день) идентичен периоду ее обращения; Титан приливно заблокирован в синхронном вращении с Сатурном и постоянно обращен к планете одной стороной. Долгота на Титане измеряется в западном направлении, начиная с меридиана, проходящего через эту точку. [29] Эксцентриситет его орбиты составляет 0,0288, а плоскость орбиты наклонена на 0,348 градусов относительно экватора Сатурна, [6] и, следовательно, также примерно на треть градуса от плоскости экваториального кольца. Если смотреть с Земли, Титан достигает углового расстояния около 20 радиусов Сатурна (чуть более 1 200 000 километров (750 000 миль)) от Сатурна и образует диск диаметром 0,8 угловой секунды . [ нужна цитата ]
Маленький спутник неправильной формы Гиперион находится в орбитальном резонансе 3:4 с Титаном. Гиперион, вероятно, сформировался на стабильном орбитальном острове, тогда как массивный Титан поглощал или выбрасывал любые другие тела, приближавшиеся к нему близко. [30]
Диаметр Титана составляет 5149,46 километров (3199,73 миль), [7] в 1,06 раза больше диаметра планеты Меркурий , в 1,48 раза больше диаметра Луны и 0,40 диаметра Земли. Титан — десятый по величине объект Солнечной системы, включая Солнце . До прибытия «Вояджера-1» в 1980 году считалось, что Титан немного больше Ганимеда (диаметр 5262 километра (3270 миль)) и, следовательно, является самой большой луной в Солнечной системе; это была завышенная оценка, вызванная плотной непрозрачной атмосферой Титана со слоем дымки на высоте 100-200 километров над его поверхностью. Это увеличивает его видимый диаметр. [31] Диаметр и масса Титана (и, следовательно, его плотность) аналогичны диаметру и массе спутников Юпитера Ганимеда и Каллисто . [32] Судя по объемной плотности 1,88 г/см 3 , состав Титана наполовину ледяной, наполовину каменистый. Хотя по составу он похож на Диону и Энцелад , он более плотный из-за гравитационного сжатия . Его масса составляет 1/4226 массы Сатурна, что делает его самым большим спутником газовых гигантов по сравнению с массой его главного спутника. По относительному диаметру спутников он занимает второе место после газового гиганта; Титан составляет 1/22,609 диаметра Сатурна, Тритон больше в диаметре по сравнению с Нептуном и составляет 1/18,092. [ нужна цитата ]
Титан, вероятно, частично разделен на отдельные слои со скалистым центром длиной 3400 километров (2100 миль). [33] Считается, что этот скалистый центр окружен несколькими слоями, состоящими из различных кристаллических форм льда и/или воды. [34] Точная структура во многом зависит от теплового потока изнутри самого Титана, который плохо ограничен. Внутри все еще может быть достаточно жарко для слоя жидкости, состоящего из « магмы », состоящей из воды и аммиака , между ледяной коркой и более глубокими слоями льда, состоящими из форм льда под высоким давлением. Тепловой поток изнутри Титана может быть даже слишком сильным для образования льдов под высоким давлением, а самые внешние слои вместо этого состоят в основном из жидкой воды под поверхностной коркой. [35] Наличие аммиака позволяет воде оставаться жидкой даже при температуре всего 176 К (-97 ° C) (для эвтектической смеси с водой). [36] Зонд Кассини обнаружил доказательства слоистой структуры в виде естественных крайне низкочастотных радиоволн в атмосфере Титана. Считается, что поверхность Титана является плохим отражателем чрезвычайно низкочастотных радиоволн, поэтому вместо этого они могут отражаться от границы жидкость-лед подземного океана . [37] В период с октября 2005 г. по май 2007 г. космический корабль «Кассини» наблюдал систематическое смещение элементов поверхности на 30 километров (19 миль), что предполагает, что кора отделена от внутренней части, и дает дополнительные доказательства существования внутреннего слоя жидкости. . [38] Еще одним подтверждающим доказательством существования слоя жидкости и ледяной оболочки, отделенных от твердого ядра, является то, как меняется гравитационное поле по мере вращения Титана вокруг Сатурна. [39] Сравнение гравитационного поля с топографическими наблюдениями на основе радара [40] также позволяет предположить, что ледяной панцирь может быть существенно жестким. [41] [42]
Считается, что спутники Юпитера и Сатурна образовались в результате совместной аккреции — процесса, аналогичного тому, который, как полагают, сформировал планеты Солнечной системы. Когда сформировались молодые газовые гиганты, они были окружены дисками материала, которые постепенно слились в спутники. В то время как Юпитер обладает четырьмя большими спутниками на очень регулярных орбитах, подобных планетам, Титан в подавляющем большинстве доминирует в системе Сатурна и обладает высоким орбитальным эксцентриситетом, который нельзя сразу объяснить только совместной аккрецией. Предлагаемая модель формирования Титана состоит в том, что система Сатурна началась с группы спутников, похожих на галилеевы спутники Юпитера , но они были разрушены серией гигантских столкновений , которые впоследствии сформировали Титан. Спутники Сатурна среднего размера, такие как Япет и Рея , образовались из обломков этих столкновений. Столь бурное начало также могло бы объяснить эксцентриситет орбиты Титана. [43]
Анализ атмосферного азота Титана в 2014 году показал, что он, возможно, произошел из материала, подобного тому, который был обнаружен в облаке Оорта , а не из источников, присутствующих во время совместной аккреции материалов вокруг Сатурна. [44]
Титан — единственный известный спутник со значительной атмосферой , [45] и его атмосфера — единственная богатая азотом плотная атмосфера в Солнечной системе, не считая земной. Наблюдения за ним, сделанные в 2004 году Кассини, позволяют предположить, что Титан представляет собой «суперротатор», как и Венера, с атмосферой, которая вращается намного быстрее, чем его поверхность. [46] Наблюдения с космических зондов «Вояджер» показали, что атмосфера Титана плотнее земной, с поверхностным давлением около 1,45 атм . Он также примерно в 1,19 раза массивнее Земли в целом [47] или примерно в 7,3 раза массивнее в расчете на площадь поверхности. Непрозрачные слои дымки блокируют большую часть видимого света от Солнца и других источников и скрывают особенности поверхности Титана. [48] Меньшая гравитация Титана означает, что его атмосфера гораздо более протяженная, чем земная. [49] Атмосфера Титана непрозрачна для многих длин волн , и в результате полный спектр отражения поверхности невозможно получить с орбиты. [50] Только после прибытия космического корабля Кассини-Гюйгенс в 2004 году были получены первые прямые изображения поверхности Титана. [51]
В состав атмосферы Титана входят азот (97%), метан (2,7 ± 0,1%) и водород (0,1–0,2%) со следами других газов. [15] Существуют следовые количества других углеводородов , таких как этан , диацетилен , метилацетилен , ацетилен и пропан , а также других газов, таких как цианоацетилен , цианистый водород , диоксид углерода , окись углерода , циан , аргон и гелий . [14] Считается, что углеводороды образуются в верхних слоях атмосферы Титана в результате реакций, возникающих в результате распада метана под действием ультрафиолетового света Солнца , что приводит к образованию густого оранжевого смога. [52] Титан проводит 95% своего времени в магнитосфере Сатурна, что может помочь защитить его от солнечного ветра . [53]
Энергия Солнца должна была преобразовать все следы метана в атмосфере Титана в более сложные углеводороды в течение 50 миллионов лет — короткое время по сравнению с возрастом Солнечной системы. Это говорит о том, что метан должен пополняться из резервуара на самом Титане или внутри него. [54] Конечным источником метана в его атмосфере может быть его внутренняя часть, высвобождаемая в результате извержений криовулканов . [55] [56] [57] [58]
3 апреля 2013 года НАСА сообщило, что сложные органические химические вещества , называемые толинами , вероятно, возникают на Титане, основываясь на исследованиях, моделирующих атмосферу Титана. [59] 6 июня 2013 года ученые IAA -CSIC сообщили об обнаружении полициклических ароматических углеводородов в верхних слоях атмосферы Титана. [60] [61]
30 сентября 2013 года пропен был обнаружен в атмосфере Титана космическим кораблем НАСА «Кассини» с помощью композитного инфракрасного спектрометра (CIRS). [62] Это первый случай, когда пропен был обнаружен на какой-либо луне или планете, кроме Земли, и это первое химическое вещество, обнаруженное CIRS. Обнаружение пропена заполняет загадочный пробел в наблюдениях, относящихся ко времени первого близкого пролета космического корабля НАСА «Вояджер-1» к Титану в 1980 году, во время которого было обнаружено, что многие из газов, составляющих коричневую дымку Титана, были углеводородами, теоретически образовавшимися в результате рекомбинация радикалов, созданных в результате ультрафиолетового фотолиза метана на Солнце. [52]
24 октября 2014 года метан был обнаружен в полярных облаках на Титане. [63] [64] 1 декабря 2022 года астрономы сообщили, что наблюдали облака, вероятно состоящие из метана , движущиеся по Титану, с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба . [65] [66]
Температура поверхности Титана составляет около 94 К (-179,2 ° C). При этой температуре водяной лед имеет чрезвычайно низкое давление пара , поэтому небольшое количество присутствующего водяного пара кажется ограниченным стратосферой. [67] Титан получает примерно на 1% больше солнечного света, чем Земля. [68] Прежде чем солнечный свет достигнет поверхности, около 90% света поглощается плотной атмосферой, оставляя только 0,1% количества света, получаемого Землей . [69]
Атмосферный метан создает на поверхности Титана парниковый эффект , без которого Титан был бы намного холоднее. [70] И наоборот, дымка в атмосфере Титана способствует антипарниковому эффекту, поглощая солнечный свет, частично устраняя парниковый эффект и делая его поверхность значительно холоднее, чем верхние слои атмосферы. [71]
Облака Титана, вероятно, состоящие из метана, этана или других простых органических веществ, разбросаны и изменчивы, что подчеркивает общую дымку. [31] Результаты зонда «Гюйгенс» показывают, что атмосфера Титана периодически выбрасывает на его поверхность дождь из жидкого метана и других органических соединений. [73]
Облака обычно покрывают 1% диска Титана, хотя наблюдались вспышки, при которых облачный покров быстро расширялся до 8%. Одна из гипотез утверждает, что южные облака образуются, когда повышенный уровень солнечного света в течение южного лета вызывает подъем атмосферы, что приводит к конвекции . Это объяснение осложняется тем, что образование облаков наблюдалось не только после южного летнего солнцестояния, но и в середине весны. Повышенная влажность метана на южном полюсе, возможно, способствует быстрому увеличению размера облаков. [74] В южном полушарии Титана было лето до 2010 года, когда орбита Сатурна, которая управляет движением Титана, переместила северное полушарие Титана на солнечный свет. [75] Когда времена года поменяются, ожидается, что этан начнет конденсироваться над южным полюсом. [76]
.jpg/1280px-First_global_geologic_map_of_Titan_(PIA23174).jpg)
Поверхность Титана описывается как «сложная, обработанная жидкостью и геологически молодая». [77] Титан существует с момента образования Солнечной системы, но его поверхность намного моложе, от 100 миллионов до 1 миллиарда лет. Геологические процессы, возможно, изменили форму поверхности Титана. [78] Атмосфера Титана в четыре раза толще земной, [79] что затрудняет астрономическим инструментам получение изображения его поверхности в видимом спектре света. [80] Космический корабль «Кассини» использовал инфракрасные инструменты, радиолокационную альтиметрию и радар с синтезированной апертурой (SAR) для картирования частей Титана во время его близких пролетов. Первые изображения показали разнообразную геологию, с шероховатыми и гладкими участками. Есть образования, которые могут иметь вулканическое происхождение, извергая на поверхность воду, смешанную с аммиаком. Есть также свидетельства того, что ледяная оболочка Титана может быть достаточно твердой, [41] [42] , что предполагает небольшую геологическую активность. [81] Есть также полосатые образования, некоторые из которых имеют длину в сотни километров, которые, по-видимому, вызваны переносимыми ветром частицами. [82] [83] Исследование также показало, что поверхность относительно гладкая; несколько объектов, которые кажутся ударными кратерами, по-видимому, были заполнены, возможно, дождем из углеводородов или вулканами. Радарная альтиметрия показывает, что изменение высоты небольшое, обычно не более 150 метров. Были обнаружены случайные перепады высот на 500 метров, а на Титане есть горы, высота которых иногда достигает от нескольких сотен метров до более 1 километра. [84]
Поверхность Титана отмечена широкими областями яркого и темного ландшафта. К ним относится Ксанаду , большая отражающая экваториальная область размером с Австралию. Впервые он был идентифицирован на инфракрасных изображениях космического телескопа «Хаббл» в 1994 году, а затем наблюдался космическим кораблем «Кассини» . Извилистый регион наполнен холмами и изрезан долинами и пропастями. [85] Местами он пересечен темными линиями — извилистыми топографическими особенностями, напоминающими хребты или расщелины. Они могут отражать тектоническую активность, что указывает на то, что Занаду геологически молод. Альтернативно, линеаменты могут представлять собой каналы, образованные жидкостью, что указывает на старую местность, прорезанную системами ручьев. [86] В других местах Титана есть темные области такого же размера, наблюдаемые с земли и с помощью Кассини ; по крайней мере, одно из них, Лигейя-Маре , второе по величине море Титана, представляет собой почти чистое метановое море. [87] [88]
Возможность существования углеводородных морей на Титане была впервые предложена на основе данных «Вояджера-1» и «Вояджера -2» , которые показали, что Титан имеет толстую атмосферу примерно правильной температуры и состава, поддерживающих их, но прямые доказательства не были получены до 1995 года, когда данные Хаббла и других наблюдения показали существование жидкого метана на Титане либо в отдельных карманах, либо в масштабах океанов размером со спутник, подобно воде на Земле. [89]
Миссия Кассини подтвердила предыдущую гипотезу. Когда зонд прибыл в систему Сатурна в 2004 году, предполагалось, что углеводородные озера или океаны будут обнаружены по солнечному свету, отраженному от их поверхности, но изначально никаких зеркальных отражений не наблюдалось. [90] Рядом с южным полюсом Титана была обнаружена загадочная темная особенность под названием Онтарио Лакус [91] (позже подтверждено, что это озеро). [92] Возможная береговая линия была также определена вблизи полюса с помощью радиолокационных изображений. [93] После пролета 22 июля 2006 года, во время которого радар космического корабля «Кассини» получил изображение северных широт (где тогда была зима), было замечено несколько больших гладких (и, следовательно, темных для радаров) пятен, усеивающих поверхность вблизи полюса. . [94] Основываясь на наблюдениях, в январе 2007 года учёные объявили о «окончательных доказательствах существования озёр, наполненных метаном на спутнике Сатурна Титане». [95] [96] Команда Кассини-Гюйгенс пришла к выводу, что изображенные объекты почти наверняка являются долгожданными углеводородные озера — первые устойчивые тела поверхностной жидкости, обнаруженные за пределами Земли. [95] Некоторые из них, по-видимому, имеют каналы, связанные с жидкостью, и лежат в топографических впадинах. [95] Особенности жидкостной эрозии, похоже, возникли совсем недавно: каналы в некоторых регионах вызвали на удивление небольшую эрозию, что позволяет предположить, что эрозия на Титане происходит чрезвычайно медленно, или некоторые другие недавние явления могли уничтожить старые русла рек и формы рельефа. [78] В целом, радиолокационные наблюдения Кассини показали, что озера покрывают лишь небольшой процент поверхности, что делает Титан намного суше, чем Земля. [97] Большинство озер сосредоточено вблизи полюсов (где относительная нехватка солнечного света препятствует испарению), но также было обнаружено несколько давних углеводородных озер в экваториальных пустынных регионах, в том числе одно возле места посадки Гюйгенса в Шангри. -Регион Ла, который примерно в два раза меньше Большого Соленого озера в штате Юта , США. Экваториальные озера, вероятно, являются « оазисами », т.е. вероятным поставщиком являются подземные водоносные горизонты . [98]
В июне 2008 года спектрометр визуального и инфракрасного картирования на Кассини подтвердил вне всякого сомнения наличие жидкого этана в Лакусе Онтарио. [99] 21 декабря 2008 года «Кассини» пролетел прямо над озером Онтарио и наблюдал зеркальное отражение на радаре. Сила отражения насыщала приемник зонда, указывая на то, что уровень озера менялся не более чем на 3 мм (это означает, что либо приземные ветры были минимальными, либо углеводородная жидкость озера вязкая). [100] [101]
.jpg/1280px-Specular_Spectacular_(PIA18432).jpg)
8 июля 2009 года VIMS Кассини наблюдал зеркальное отражение, указывающее на гладкую, зеркальную поверхность, от того, что сегодня называется озером Цзинпо , озером в северном полярном регионе, вскоре после того, как эта местность вышла из 15-летней зимней тьмы. Зеркальные отражения указывают на гладкую, зеркальную поверхность, поэтому наблюдение подтвердило вывод о наличии большого жидкого тела, сделанный на основе радиолокационных изображений. [102] [103]
Ранние радиолокационные измерения, проведенные в июле 2009 г. и январе 2010 г., показали, что озеро Онтарио было чрезвычайно мелким, со средней глубиной 0,4–3 м и максимальной глубиной от 3 до 7 м (от 9,8 до 23,0 футов). [104] Напротив, Лигейя-Маре в северном полушарии изначально была нанесена на карту до глубины, превышающей 8 м, что было максимальной различимой радаром и методами анализа того времени. [104] Более поздний научный анализ, опубликованный в 2014 году, более полно нанес на карту глубины трех метановых морей Титана и показал глубины более 200 метров (660 футов). Глубина Лигейя-Маре составляет в среднем от 20 до 40 м (от 66 до 131 футов), в то время как в других частях Лигейи вообще не было зарегистрировано никаких радиолокационных отражений, что указывает на глубину более 200 м (660 футов). Хотя Лигейя является вторым по величине из метановых морей Титана, она «содержит достаточно жидкого метана, чтобы заполнить три озера Мичиган ». [105]
В мае 2013 года радиолокационный высотомер Кассини наблюдал каналы Вид Флюмина Титана, определяемые как дренажная сеть, соединенная со вторым по величине углеводородным морем Титана, Лигейя Маре. Анализ полученных эхосигналов высотомера показал, что каналы расположены в глубоких (до ~570 м) крутых каньонах и имеют сильные зеркальные отражения от поверхности, что указывает на то, что в настоящее время они заполнены жидкостью. Высота жидкости в этих каналах находится на том же уровне, что и Лигейя-Маре, с точностью до 0,7 м по вертикали, что соответствует интерпретации затопленных речных долин. Зеркальные отражения также наблюдаются в притоках более низкого порядка, возвышающихся над уровнем Лигейи-Маре, что соответствует дренажному питанию в основную систему русел. Вероятно, это первое прямое свидетельство наличия жидкостных каналов на Титане и первое наблюдение стометровых каньонов на Титане. Таким образом, каньоны Вид-Флумина затоплены морем, но есть несколько отдельных наблюдений, подтверждающих наличие поверхностных жидкостей, стоящих на больших высотах. [106]
Во время шести пролетов Титана с 2006 по 2011 год «Кассини» собрал данные радиометрического слежения и оптической навигации, на основании которых исследователи могли примерно сделать вывод об изменении формы Титана. Плотность Титана соответствует телу, состоящему примерно на 60% из камня и на 40% из воды. Анализ команды показывает, что поверхность Титана может подниматься и опускаться на 10 метров на каждом витке. Такая степень деформации предполагает, что внутренняя часть Титана относительно деформируема и что наиболее вероятной моделью Титана является модель, в которой ледяная оболочка толщиной в десятки километров плавает на поверхности мирового океана. [107] Выводы команды, а также результаты предыдущих исследований, намекают на то, что океан Титана может лежать не более чем в 100 километрах (62 мили) под его поверхностью. [107] [108] 2 июля 2014 года НАСА сообщило, что океан внутри Титана может быть таким же соленым, как Мертвое море . [109] [110] 3 сентября 2014 года НАСА сообщило об исследованиях, предполагающих, что метановые осадки на Титане могут взаимодействовать со слоем ледяных материалов под землей, называемым «алканофером», с образованием этана и пропана , которые в конечном итоге могут попадать в реки и озера. [111]
В 2016 году Кассини обнаружил первые свидетельства существования заполненных жидкостью каналов на Титане в серии глубоких каньонов с крутыми склонами, впадающих в Лигейя-Маре . Эта сеть каньонов, получившая название Вид Флюмина, имеет глубину от 240 до 570 м и крутизну склонов до 40°. Считается, что они образовались либо в результате поднятия земной коры, как Большой Каньон Земли , либо в результате понижения уровня моря, либо, возможно, в результате комбинации этих двух факторов. Глубина эрозии позволяет предположить, что потоки жидкости в этой части Титана являются долгосрочными явлениями, сохраняющимися в течение тысяч лет. [112]
Данные радара, SAR и изображений Кассини выявили несколько ударных кратеров на поверхности Титана. [78] Эти удары кажутся относительно молодыми по сравнению с возрастом Титана. [78] Несколько обнаруженных ударных кратеров включают в себя ударный бассейн с двумя кольцами шириной 392 километра (244 мили) под названием Менрва , который МКС Кассини видит как ярко-темный концентрический узор. [114] Также наблюдались меньший по размеру кратер Синлап шириной 80 километров (50 миль) с плоским дном [115] и кратер диаметром 30 км (19 миль) с центральным пиком и темным дном под названием Кса. [116] Радиолокационные изображения и изображения Кассини также выявили «кратероформы», круглые образования на поверхности Титана, которые могут быть связаны с ударом, но не имеют определенных особенностей, которые могли бы сделать идентификацию достоверной. Например, Кассини наблюдал кольцо яркого грубого материала шириной 90 километров (56 миль), известное как Гуабонито . [117] Предполагается, что эта особенность представляет собой ударный кратер, заполненный темными, перенесенными ветром осадками. Несколько других подобных особенностей наблюдались в темных регионах Шангри-Ла и Аару. Радар наблюдал несколько круглых образований, которые могут быть кратерами в яркой области Ксанаду во время пролета Кассини над Титаном 30 апреля 2006 года. [118]
Многие из кратеров или возможных кратеров Титана демонстрируют признаки обширной эрозии, и все они имеют некоторые признаки модификации. [113] Большинство крупных кратеров имеют прорванные или неполные края, несмотря на то, что некоторые кратеры на Титане имеют относительно более массивные края, чем где-либо еще в Солнечной системе. Существует мало свидетельств образования палимпсестов в результате расслабления вязкоупругой коры, в отличие от других крупных ледяных спутников . [113] Большинство кратеров не имеют центральных пиков и имеют гладкое дно, возможно, из-за ударного воздействия или более позднего извержения криовулканической лавы . Заполнение в результате различных геологических процессов является одной из причин относительного недостатка кратеров на Титане; Атмосферное экранирование также играет роль. Подсчитано, что атмосфера Титана уменьшает количество кратеров на его поверхности в два раза. [120]
Ограниченное радиолокационное покрытие Титана с высоким разрешением, полученное до 2007 года (22%), предположило существование неравномерностей в распределении его кратеров. В Ксанаду кратеров в 2–9 раз больше, чем где-либо еще. Плотность ведущего полушария на 30% выше, чем ведомого. Меньшая плотность кратеров наблюдается в районах экваториальных дюн и в северной полярной области (где наиболее распространены углеводородные озера и моря). [113]
Модели траекторий и углов удара до Кассини предполагают, что там, где ударник ударяется о корку водяного льда, небольшое количество выбросов остается в виде жидкой воды внутри кратера. Он может сохраняться в жидком виде в течение столетий или дольше, чего достаточно для «синтеза простых молекул-предшественников возникновения жизни». [121]
Ученые уже давно предполагают, что условия на Титане напоминают условия на ранней Земле, хотя и при гораздо более низкой температуре. Обнаружение аргона-40 в атмосфере в 2004 году показало, что вулканы породили шлейфы «лавы», состоящей из воды и аммиака. [122] Глобальные карты распределения озер на поверхности Титана показали, что на поверхности Титана недостаточно поверхностного метана, чтобы объяснить его постоянное присутствие в атмосфере, и, таким образом, значительная его часть должна быть добавлена в результате вулканических процессов. [123]
Тем не менее, на поверхности мало объектов, которые можно однозначно интерпретировать как криовулканы. [124] Одна из первых таких особенностей, обнаруженных радиолокационными наблюдениями Кассини в 2004 году, названная Ганеза Макула , напоминает географические объекты, называемые « блинообразными куполами », обнаруженными на Венере, и поэтому первоначально считалось, что она имеет криовулканическое происхождение, пока Кирк и др. . опроверг эту гипотезу на ежегодном собрании Американского геофизического союза в декабре 2008 года. Было обнаружено, что эта особенность вовсе не является куполом, а возникла в результате случайного сочетания светлых и темных пятен. [125] [126] В 2004 году Кассини также обнаружил необычно яркую особенность (так называемую Факулу Тортола), которая была интерпретирована как криовулканический купол. [127] По состоянию на 2010 год подобных особенностей обнаружено не было. [128] В декабре 2008 года астрономы объявили об открытии двух временных, но необычайно долгоживущих «ярких пятен» в атмосфере Титана, которые кажутся слишком стойкими, чтобы их можно было объяснить простой погодой. закономерности, предполагающие, что они были результатом длительных криовулканических эпизодов. [36]
Горный хребет длиной 150 километров (93 мили), шириной 30 километров (19 миль) и высотой 1,5 километра (0,93 мили) также был открыт Кассини в 2006 году. Этот хребет расположен в южном полушарии и, как полагают, состоит из ледяного покрова. материал и покрыт метановым снегом. Движение тектонических плит, возможно, под влиянием близлежащего ударного бассейна, могло открыть брешь, через которую поднялся материал горы. [129] До «Кассини» ученые предполагали, что большая часть топографии Титана представляет собой ударные структуры, однако эти результаты показывают, что, как и на Земле, горы образовались в результате геологических процессов. [130]
В 2008 году Джеффри Мур (планетарный геолог Исследовательского центра Эймса ) предложил альтернативный взгляд на геологию Титана. Отметив, что на Титане до сих пор не было однозначно идентифицировано никаких вулканических особенностей, он утверждал, что Титан — это геологически мертвый мир, поверхность которого формируется только за счет ударных кратеров, речной и эоловой эрозии, истощения массы и других экзогенных процессов. Согласно этой гипотезе, метан не выделяется вулканами, а медленно диффундирует из холодных и жестких недр Титана. Ганеса Макула может представлять собой разрушенный ударный кратер с темной дюной в центре. Горные хребты, наблюдаемые в некоторых регионах, можно объяснить как сильно деградировавшие уступы крупных многокольцевых ударных структур или как результат глобального сжатия из-за медленного охлаждения недр. Даже в этом случае Титан все еще может иметь внутренний океан, состоящий из эвтектической смеси воды и аммиака с температурой 176 К (-97 ° C), что достаточно низко, чтобы объяснить распад радиоактивных элементов в ядре. Яркая местность Занаду может представлять собой деградировавшую, покрытую кратерами местность, подобную той, что наблюдается на поверхности Каллисто. Действительно, если бы не отсутствие атмосферы, Каллисто могла бы служить моделью геологии Титана в этом сценарии. Джеффри Мур даже позвонил Титану Каллисто с помощью погоды . [124] [131]
В марте 2009 года было объявлено о наличии структур, напоминающих потоки лавы, в регионе Титана под названием Хотей Аркус, яркость которого, по-видимому, колеблется в течение нескольких месяцев. Хотя для объяснения этого колебания предлагалось множество явлений, было обнаружено, что потоки лавы поднимаются на 200 метров (660 футов) над поверхностью Титана, что соответствует извержению из-под поверхности. [132]
В декабре 2010 года команда миссии Кассини объявила о самом привлекательном криовулкане, который когда-либо был обнаружен. Названная Сотра Патера , она входит в цепь, состоящую как минимум из трех гор, каждая высотой от 1000 до 1500 м, некоторые из которых увенчаны большими кратерами. Земля вокруг их оснований, кажется, покрыта замерзшими потоками лавы. [133]
В полярных регионах Титана были обнаружены кратерообразные формы рельефа, которые, возможно, образовались в результате взрывных, мааровых или кальдерообразующих криовулканических извержений. [134] Эти образования иногда вложены друг в друга или перекрываются и имеют особенности, напоминающие о взрывах и обрушениях, такие как приподнятые края, ореолы и внутренние холмы или горы. [134] Полярное расположение этих объектов и их близость к озерам и морям Титана позволяют предположить, что летучие вещества, такие как метан, могут способствовать их питанию. Некоторые из этих особенностей кажутся довольно свежими, что позволяет предположить, что такая вулканическая активность продолжается и по сей день. [134]
Большинство самых высоких вершин Титана находятся вблизи его экватора в так называемых «хребтовых поясах». Считается, что они аналогичны складчатым горам Земли , таким как Скалистые горы или Гималаи , образовавшимся в результате столкновения и изгиба тектонических плит, или зонам субдукции , таким как Анды , где восходящая лава (или криолава ) из тающей нисходящей плиты поднимается до поверхность. Одним из возможных механизмов их образования являются приливные силы Сатурна. Поскольку ледяная мантия Титана менее вязкая, чем магматическая мантия Земли, а его ледяная основа мягче, чем гранитная основа Земли, горы вряд ли достигнут такой высоты, как земные. В 2016 году команда Кассини объявила о том, что они считают самой высокой горой на Титане. Расположенный в хребте Митрим-Монтес, он имеет высоту 3337 м. [135]
Если вулканизм на Титане действительно существует, гипотеза состоит в том, что он вызван энергией, выделяющейся в результате распада радиоактивных элементов внутри мантии, как и на Земле. [36] Магма на Земле состоит из жидкой породы, которая менее плотна, чем твердая каменная кора, через которую она извергается. Поскольку лед менее плотен, чем вода, водянистая магма Титана будет плотнее, чем его твердая ледяная корка. Это означает, что для работы криовулканизма на Титане потребуется большое количество дополнительной энергии, возможно, за счет приливных колебаний близлежащего Сатурна. [36] Лед низкого давления, покрывающий жидкий слой сульфата аммония , поднимается плавуче, и нестабильная система может вызвать драматические шлейфы. В ходе этого процесса поверхность Титана восстанавливается с помощью мелкозернистого льда и пепла сульфата аммония, что помогает создать ландшафт в форме ветра и особенности песчаных дюн. [136] Титан, возможно, был гораздо более геологически активным в прошлом; модели внутренней эволюции Титана предполагают, что примерно 500 миллионов лет назад кора Титана имела толщину всего 10 километров, что позволило энергичному криовулканизму с водяной магмой низкой вязкости стереть все особенности поверхности, образовавшиеся до этого времени. Современная геология Титана сформировалась только после того, как кора утолщилась до 50 километров и, таким образом, препятствовала постоянному криовулканическому обновлению поверхности, при этом любой криовулканизм, произошедший с того времени, производил гораздо более вязкую водную магму с более крупными фракциями аммиака и метанола; это также предполагает, что метан Титана больше не добавляется активно в его атмосферу и может быть полностью истощен в течение нескольких десятков миллионов лет. [137]
Многие из наиболее выдающихся гор и холмов получили официальные названия от Международного астрономического союза . По данным JPL , «по соглашению горы на Титане названы в честь гор Средиземья , вымышленного места действия в фэнтезийных романах Дж. Р. Р. Толкина ». Коллес (сборник холмов) названы в честь персонажей из одноименных произведений Толкина. [138]
На первых изображениях поверхности Титана, полученных наземными телескопами в начале 2000-х годов, были обнаружены большие области темной местности, расположенные по обе стороны экватора Титана. [139] До прибытия Кассини эти регионы считались морями жидких углеводородов. [140] Вместо этого радиолокационные изображения, полученные космическим кораблем «Кассини» , показали, что некоторые из этих регионов представляют собой обширные равнины, покрытые продольными дюнами , высотой до 330 футов (100 м), [141] шириной около километра и протяженностью от десятков до сотен километров. длинный. [142] Дюны этого типа всегда ориентированы по среднему направлению ветра. В случае Титана устойчивые зональные (восточные) ветры сочетаются с переменными приливными ветрами (около 0,5 метра в секунду). [143] Приливные ветры являются результатом приливных сил Сатурна на атмосферу Титана, которые в 400 раз сильнее, чем приливные силы Луны на Земле, и имеют тенденцию направлять ветер к экватору. Предполагалось, что этот характер ветра приводит к постепенному накоплению зернистого материала на поверхности в виде длинных параллельных дюн, вытянутых с запада на восток. Дюны распадаются вокруг гор, где направление ветра меняется. [144]
Первоначально предполагалось, что продольные (или линейные) дюны образованы умеренно переменными ветрами, которые либо следуют одному среднему направлению, либо чередуются между двумя разными направлениями. Последующие наблюдения показали, что дюны направлены на восток, хотя климатическое моделирование показывает, что ветры на поверхности Титана дуют на запад. При скорости менее 1 метра в секунду они недостаточно мощны для подъема и транспортировки поверхностного материала. Недавнее компьютерное моделирование показывает, что дюны могут быть результатом редких штормовых ветров, которые случаются только каждые пятнадцать лет, когда Титан находится в равноденствии . Эти штормы создают сильные нисходящие потоки, движущиеся на восток со скоростью до 10 метров в секунду, когда они достигают поверхности. [145]
«Песок» на Титане, скорее всего, не состоит из мелких зерен силикатов , как песок на Земле, [146] а, скорее, образовался, когда жидкий метан вылился в дождь и размыл коренную породу, состоящую из водяного льда, возможно, в форме ливневых паводков. Альтернативно, песок также мог образоваться из органических твердых веществ, называемых толинами , образующихся в результате фотохимических реакций в атмосфере Титана. [141] [143] [147] Исследования состава дюн в мае 2008 года показали, что они содержат меньше воды, чем остальная часть Титана, и, таким образом, скорее всего, образовались из органической сажи , подобной углеводородным полимерам, слипающимся после дождя на поверхность. [148] Расчеты показывают, что плотность песка на Титане составляет одну треть плотности земного песка. [149] Низкая плотность в сочетании с сухостью атмосферы Титана может привести к слипанию зерен из-за накопления статического электричества. «Липкость» может помешать обычному легкому ветру вблизи поверхности Титана перемещать дюны, хотя более сильные ветры из-за сезонных штормов все равно могут снести их на восток. [150]
В период равноденствия сильные нисходящие ветры могут поднимать твердые органические частицы микронного размера вверх из дюн, создавая Титанские пылевые бури, наблюдаемые как интенсивные и кратковременные просветления в инфракрасном диапазоне. [151]
Титан никогда не виден невооруженным глазом, но его можно наблюдать в небольшие телескопы или сильный бинокль. Любительские наблюдения затруднены из-за близости Титана к блестящему шару и системе колец Сатурна; затемняющая полоса, закрывающая часть окуляра и закрывающая яркую планету, значительно улучшает обзор. [153] Титан имеет максимальную видимую звездную величину +8,2, [13] и среднюю звездную величину противостояния 8,4. [154] Для сравнения: +4,6 для Ганимеда аналогичного размера в системе Юпитера. [154]
Наблюдения за Титаном до космической эры были ограничены. В 1907 году испанский астроном Хосеп Комас-и-Сола наблюдал потемнение конечностей Титана, что стало первым свидетельством того, что у этого тела есть атмосфера. В 1944 году Джерард П. Койпер применил спектроскопический метод для обнаружения атмосферы метана. [155]
Первым зондом, посетившим систему Сатурна, был «Пионер-11» в 1979 году, который показал, что Титан, вероятно, слишком холоден, чтобы поддерживать жизнь. [156] В середине-конце 1979 года он сделал снимки Титана, включая Титан и Сатурн вместе. [157] Качество вскоре было превзойдено двумя «Вояджерами» . [158]
Титан исследовался «Вояджером-1» и «Вояджером- 2» в 1980 и 1981 годах соответственно. Траектория «Вояджера-1 » была разработана таким образом, чтобы обеспечить оптимизированный облет Титана, во время которого космический корабль смог определить плотность, состав и температуру атмосферы, а также получить точные измерения массы Титана. [159] Атмосферная дымка не позволила получить прямое изображение поверхности, хотя в 2004 году интенсивная цифровая обработка изображений, полученных с помощью оранжевого фильтра « Вояджера-1 », действительно выявила намеки на светлые и темные объекты, ныне известные как Занаду и Шангри-ла , [160] которые наблюдался в инфракрасном диапазоне с помощью космического телескопа «Хаббл». «Вояджер-2» , который был бы направлен для облета Титана, если бы «Вояджер-1» не смог этого сделать, не прошел мимо Титана и продолжил свой путь к Урану и Нептуну. [159] : 94
Даже несмотря на данные, предоставленные «Вояджерами» , Титан оставался загадкой — большой спутник, окутанный атмосферой, затрудняющей детальное наблюдение.
Космический корабль Кассини -Гюйгенс достиг Сатурна 1 июля 2004 года и начал процесс картирования поверхности Титана с помощью радара . Совместный проект Европейского космического агентства (ЕКА) и НАСА , миссия Кассини-Гюйгенс оказалась очень успешной. Зонд Кассини пролетел мимо Титана 26 октября 2004 года и сделал изображения поверхности Титана с самым высоким разрешением за всю историю, на расстоянии всего 1200 километров (750 миль), различая участки света и тьмы, которые были бы невидимы для человеческого глаза. [ нужна цитата ]
22 июля 2006 г. «Кассини» совершил свой первый прицельный близкий пролет на высоте 950 километров (590 миль) от Титана; Ближайший пролет произошел на высоте 880 километров (550 миль) 21 июня 2010 года. [161] Жидкость была обнаружена в изобилии на поверхности в северном полярном регионе в виде множества озер и морей, открытых Кассини . [94]
«Гюйгенс» был атмосферным зондом, который приземлился на Титане 14 января 2005 года и обнаружил, что многие из элементов его поверхности, по - видимому, были сформированы жидкостями в какой-то момент в прошлом. [163] Титан — самое удаленное от Земли тело, на поверхность которого приземлился космический зонд. [164]
Зонд « Гюйгенс» приземлился недалеко от самой восточной оконечности яркого региона, который сейчас называется Адири . Зонд сфотографировал бледные холмы с темными «реками», сбегающими на темную равнину. В настоящее время считается, что холмы (также называемые высокогорьями) состоят в основном из водяного льда. Темные органические соединения, созданные в верхних слоях атмосферы ультрафиолетовым излучением Солнца, могут выпадать дождем из атмосферы Титана. Они смываются с холмов метановым дождем и откладываются на равнинах в течение геологических временных масштабов. [165]
После приземления Гюйгенс сфотографировал темную равнину, покрытую мелкими камнями и галькой, состоящими из водяного льда. [165] Два камня чуть ниже середины изображения справа меньше, чем могут показаться: размер левого — 15 сантиметров, а в центре — 4 сантиметра в поперечнике, на расстоянии около 85 сантиметров. сантиметры от Гюйгенса . Есть свидетельства эрозии у основания скал, что указывает на возможную речную деятельность. Поверхность земли темнее, чем первоначально ожидалось, и состоит из смеси воды и углеводородного льда. [166]
В марте 2007 года НАСА, ЕКА и КОСПАР решили назвать место посадки Гюйгенса Мемориальной станцией Хьюберта Кюриена в память о бывшем президенте ЕКА. [167]
Миссия Dragonfly , разработанная и управляемая Лабораторией прикладной физики Джона Хопкинса , будет запущена в июле 2028 года. [168] Она состоит из большого дрона с приводом от РИТЭГ , который будет летать в атмосфере Титана в качестве New Frontiers 4. [169] [ 170] Его инструменты будут изучать, насколько далеко могла продвинуться химия пребиотиков . [171] Планируется, что миссия прибудет на Титан в середине 2030-х годов. [170]
В последние годы было предложено несколько концептуальных миссий по возвращению космического робота на Титан. Первоначальная концептуальная работа для таких миссий была завершена НАСА (и Лабораторией реактивного движения ) и ЕКА . В настоящее время ни одно из этих предложений не стало финансируемой миссией. [ нужна цитата ]
Миссия системы Титан-Сатурн (TSSM) была совместным предложением НАСА и ЕКА по исследованию спутников Сатурна . [172] В нем предполагается, что воздушный шар будет плавать в атмосфере Титана в течение шести месяцев. Он конкурировал за финансирование с предложением миссии Europa Jupiter System Mission (EJSM). В феврале 2009 года было объявлено, что ЕКА/НАСА отдало приоритет миссии EJSM перед TSSM. [173]
Предлагаемый Titan Mare Explorer (TiME) представлял собой недорогой посадочный модуль, который приводнился в озере в северном полушарии Титана и плавал на поверхности озера в течение трех-шести месяцев. [174] [175] [176] Он был выбран для исследования проекта Фазы-А в 2011 году в качестве кандидата на участие в 12-й программе НАСА Discovery Program , [177] но не был выбран для полета. [178]
Еще одна миссия на Титан, предложенная в начале 2012 года Джейсоном Барнсом, ученым из Университета Айдахо , — это « Воздушный аппарат для разведки Титана на месте и с воздуха » (AVIATR): беспилотный самолет (или дрон ), который будет летать через атмосферу Титана и сделать снимки поверхности Титана в высоком разрешении . НАСА не одобрило запрошенные 715 миллионов долларов, и будущее проекта остается неопределенным. [179] [180]
Концептуальный проект еще одного посадочного модуля на озере был предложен в конце 2012 года испанской частной инжиниринговой фирмой SENER и Центром астробиологии в Мадриде . Концептуальный зонд называется Titan Lake In-situ Sampling Propelled Explorer (TALISE). [181] [182] Основное отличие от зонда TiME будет заключаться в том, что TALISE будет иметь собственную двигательную установку и, следовательно, не будет ограничиваться простым дрейфом по озеру после приводнения. [181]
Участником программы Discovery для миссии № 13 является « Путешествие на Энцелад и Титан » (JET), астробиологический орбитальный аппарат Сатурна, который будет оценивать потенциал обитаемости Энцелада и Титана. [183] [184] [185]
В 2015 году программа НАСА «Инновационные передовые концепции» (NIAC) выделила грант фазы II [186] на исследование конструкции подводной лодки «Титан» для исследования морей Титана. [187] [188] [189] [190] [191]
Считается, что Титан представляет собой пребиотическую среду , богатую сложными органическими соединениями , [59] [192] но его поверхность находится в состоянии глубокой заморозки при температуре -179 °C (-290,2 °F; 94,1 К), поэтому в настоящее время понятно, что жизнь не может существовать. существуют на холодной поверхности Луны. [193] Однако под ледяным панцирем Титана, похоже, находится глобальный океан, и внутри этого океана условия потенциально пригодны для микробной жизни. [194] [195] [196]
Миссия Кассини -Гюйгенс не была оборудована для предоставления доказательств наличия биосигнатур или сложных органических соединений; он показал окружающую среду на Титане, которая в некотором смысле похожа на среду, предполагаемую для первичной Земли. [197] Ученые предполагают, что атмосфера ранней Земли по составу была похожа на нынешнюю атмосферу Титана, за важным исключением отсутствия водяного пара на Титане. [198] [192]
Эксперимент Миллера-Юри и несколько последующих экспериментов показали, что при атмосфере, подобной атмосфере Титана, и добавлении УФ-излучения , могут генерироваться сложные молекулы и полимерные вещества, такие как толины . Реакция начинается с диссоциации азота и метана с образованием цианида водорода и ацетилена. Дальнейшие реакции были тщательно изучены. [199]
Сообщалось, что когда энергия была применена к комбинации газов, подобных тем, что находятся в атмосфере Титана, среди многих образовавшихся соединений были пять нуклеотидных оснований , строительных блоков ДНК и РНК . Кроме того, были обнаружены аминокислоты , строительные блоки белка . Это был первый случай, когда нуклеотидные основания и аминокислоты были обнаружены в таком эксперименте без присутствия жидкой воды. [200]
3 апреля 2013 года НАСА сообщило, что на Титане могут возникнуть сложные органические химические вещества , основываясь на исследованиях, моделирующих атмосферу Титана. [59]
6 июня 2013 года ученые IAA-CSIC сообщили об обнаружении полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в верхних слоях атмосферы Титана. [60] [61]
26 июля 2017 года ученые Кассини положительно определили присутствие анионов углеродной цепи в верхних слоях атмосферы Титана, которые, по-видимому, участвуют в производстве крупных сложных органических веществ. [201] Ранее было известно, что эти высокореактивные молекулы способствуют созданию сложной органики в Межзвездной среде, что делает их, возможно, универсальным трамплином для производства сложного органического материала. [202]
28 июля 2017 года ученые сообщили, что на Титане был обнаружен акрилонитрил , или винилцианид (C 2 H 3 CN), возможно, необходимый для жизни , поскольку он связан с формированием клеточной мембраны и структуры везикул . [203] [204] [205]
В октябре 2018 года исследователи сообщили о низкотемпературных химических путях перехода от простых органических соединений к сложным химическим веществам полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Такие химические пути могут помочь объяснить присутствие ПАУ в низкотемпературной атмосфере Титана и могут быть важными путями, с точки зрения гипотезы мира ПАУ , в производстве предшественников биохимических веществ, связанных с жизнью, какой мы ее знаем. [206] [207]
Лабораторное моделирование привело к предположению, что на Титане существует достаточно органического материала, чтобы начать химическую эволюцию, аналогичную той, которая, как считается, зародила жизнь на Земле. Аналогия предполагает присутствие жидкой воды в течение более длительных периодов времени, чем наблюдается в настоящее время; Несколько гипотез предполагают, что жидкая вода от удара могла сохраниться под замерзшим изоляционным слоем. [208] Была также выдвинута гипотеза, что океаны жидкого аммиака могут существовать глубоко под поверхностью. [194] [209] Другая модель предполагает наличие аммиачно-водного раствора на глубине 200 километров (120 миль) под коркой водяного льда с условиями, которые, хотя и являются экстремальными по земным меркам, таковы, что жизнь может выжить. [195] Теплообмен между внутренними и верхними слоями будет иметь решающее значение для поддержания любой подповерхностной океанической жизни. [194] Обнаружение микробной жизни на Титане будет зависеть от ее биогенных эффектов с изучением атмосферного метана и азота. [195]
Было высказано предположение, что жизнь могла существовать в озерах жидкого метана на Титане, точно так же, как организмы на Земле живут в воде. [210] Такие организмы будут вдыхать H 2 вместо O 2 , метаболизировать его с помощью ацетилена вместо глюкозы и выдыхать метан вместо углекислого газа. [196] [210] Однако такие гипотетические организмы должны метаболизироваться при температуре глубокой заморозки -179,2 ° C (-290,6 ° F; 94,0 К). [193]
Все формы жизни на Земле (включая метаногены ) используют жидкую воду в качестве растворителя; предполагается, что жизнь на Титане могла бы вместо этого использовать жидкий углеводород, такой как метан или этан, [211] хотя вода является более сильным растворителем, чем метан. [212] Вода также более химически активна и может расщеплять крупные органические молекулы посредством гидролиза . [211] Форма жизни, растворителем которой был углеводород, не столкнулась бы с риском разрушения своих биомолекул таким образом. [211]
В 2005 году астробиолог Крис Маккей утверждал, что если бы метаногенная жизнь действительно существовала на поверхности Титана, это, вероятно, оказало бы измеримое влияние на соотношение смешивания в тропосфере Титана: уровни водорода и ацетилена были бы значительно ниже, чем ожидалось. Если предположить, что скорость метаболизма аналогична скорости метаболизма метаногенных организмов на Земле, концентрация молекулярного водорода на поверхности Титана упадет в 1000 раз исключительно из-за гипотетического биологического стока. Маккей отметил, что, если жизнь действительно присутствует, низкие температуры на Титане приведут к очень медленным метаболическим процессам, которые предположительно можно ускорить за счет использования катализаторов, подобных ферментам. Он также отметил, что низкая растворимость органических соединений в метане представляет собой более серьезную проблему для любой возможной формы жизни. Формы активного транспорта и организмы с большим соотношением поверхности к объему теоретически могут уменьшить недостатки, связанные с этим фактом. [210]
В 2010 году Даррел Стробел из Университета Джона Хопкинса выявил большее содержание молекулярного водорода в верхних слоях атмосферы Титана по сравнению с нижними слоями, приводя доводы в пользу нисходящего потока со скоростью примерно 10 28 молекул в секунду и исчезновения водорода. возле поверхности Титана; как отметил Штробель, его результаты соответствовали эффектам, которые предсказал Маккей в случае присутствия метаногенных форм жизни. [210] [212] [213] В том же году другое исследование показало низкие уровни ацетилена на поверхности Титана, что было интерпретировано Маккеем как согласующееся с гипотезой об организмах, потребляющих углеводороды. [212] Подтверждая биологическую гипотезу, он предупредил, что более вероятны другие объяснения обнаруженных фактов о водороде и ацетилене: возможность еще неопознанных физических или химических процессов (например, поверхностный катализатор , принимающий углеводороды или водород) или недостатки существующих моделей. материального потока. [196] Данные о составе и модели транспорта должны быть обоснованы и т. д. Несмотря на то, что небиологическое каталитическое объяснение было бы менее поразительным, чем биологическое, Маккей отметил, что открытие катализатора, эффективного при 95 К (- 180 °C) все равно будет иметь значение. [196] Что касается результатов по ацетилену, Марк Аллен, главный исследователь команды Титана Астробиологического института НАСА, предоставил умозрительное, небиологическое объяснение: солнечный свет или космические лучи могут превратить ацетилен в ледяных аэрозолях в атмосфере в более сложные молекулы, которые упадут на землю без ацетиленовой сигнатуры. [214]
Как отмечает НАСА в своей новостной статье о результатах, сделанных в июне 2010 года: «На сегодняшний день формы жизни, основанные на метане, являются лишь гипотетическими. Ученые еще нигде не обнаружили эту форму жизни». [212] Как также говорится в заявлении НАСА: «Некоторые ученые считают, что эти химические признаки подтверждают аргумент в пользу примитивной, экзотической формы жизни или предшественника жизни на поверхности Титана». [212]
В феврале 2015 года была смоделирована гипотетическая клеточная мембрана , способная функционировать в жидком метане в условиях криогенных температур (глубокой заморозки). Состоящий из небольших молекул, содержащих углерод, водород и азот, он будет обладать такой же стабильностью и гибкостью, как клеточные мембраны на Земле, которые состоят из фосфолипидов , соединений углерода, водорода, кислорода и фосфора . Эту гипотетическую клеточную мембрану назвали « азотосомой » — сочетанием слов «азот», что по-французски означает «азот», и « липосома ». [215] [216]
Несмотря на эти биологические возможности, на Титане существуют огромные препятствия для жизни, и любая аналогия с Землей неточна. На огромном расстоянии от Солнца Титан холоден, а в его атмосфере не хватает CO2 . На поверхности Титана вода существует только в твердом виде. Из-за этих трудностей такие ученые, как Джонатан Лунин , рассматривали Титан не столько как вероятную среду обитания жизни, сколько как эксперимент по проверке гипотез об условиях, которые преобладали до появления жизни на Земле. [217] Хотя жизнь сама по себе может не существовать, пребиотические условия на Титане и связанная с ними органическая химия по-прежнему представляют большой интерес для понимания ранней истории земной биосферы. [197] Использование Титана в качестве пребиотического эксперимента включает не только наблюдение с помощью космического корабля, но и лабораторные эксперименты, а также химическое и фотохимическое моделирование на Земле. [199]
Предполагается, что удары крупных астероидов и комет о поверхность Земли могли привести к тому, что фрагменты нагруженной микробами породы покинули гравитацию Земли, что предполагает возможность панспермии . Расчеты показывают, что они столкнутся со многими телами Солнечной системы, включая Титан. [218] [219] С другой стороны, Джонатан Лунин утверждал, что любые живые существа в криогенных углеводородных озерах Титана должны были бы настолько химически отличаться от земной жизни, что одно не могло бы быть предком другого. [220]
В далеком будущем условия на Титане могут стать гораздо более пригодными для жизни . Через пять миллиардов лет, когда Солнце станет субкрасным гигантом , температура его поверхности может подняться настолько, что Титан сможет поддерживать жидкую воду на своей поверхности, что сделает его пригодным для жизни. [221] Поскольку ультрафиолетовое излучение Солнца уменьшается, дымка в верхних слоях атмосферы Титана будет уменьшаться, уменьшая антипарниковый эффект на поверхности и позволяя парниковому эффекту, создаваемому атмосферным метаном, играть гораздо большую роль. В совокупности эти условия могли бы создать обитаемую среду и сохраняться в течение нескольких сотен миллионов лет. Предполагается, что этого времени было достаточно для зарождения простой жизни на Земле, хотя более высокая вязкость растворов аммиака и воды в сочетании с низкими температурами привела бы к тому, что химические реакции на Титане протекали бы медленнее. [222]
