Гюйгенс – полёт на Титан

Сегодня выпуск передачи Наука и Техника посвящен вопросам космонавтики и воздухоплавания. Причем на этот раз речь пойдет о Титане самой большой и, пожалуй, самой загадочной в солнечной системе луне – спутнике властелина колец – Сатурна.

На Титане мороз. Минус 180 градусов Цельсия. Нет ни воды, ни кислорода.

Мы бы не смогли на Титане жить. Воздух этой луны не пригоден для дыхания.

Кроме того, на Титане ветрено, что не совсем нормально для обычной Луны, поскольку для возникновения ветра необходимо наличие атмосферы, а обычные луны таковой не обладают.

А там, где есть ветры, есть и шумы, ведь атмосфера, в отличие от вакуума, проводит звук.

О том, как звучит Титан, станет известно в январе, когда до него долетит европейский научно-исследовательский зонд Гюйгенс, названный в так в честь известного голландского астронома Кристиана Гюйгенса, который 350 лет назад, наблюдая в телескоп за ночным небом, открыл самую крупную луну Сатурна – Титан.

Семь долгих лет, подобно Иове в чреве китовом, путешествовал европейский зонд Гюйгенс в фюзеляже материнского корабля Кассини по бескрайним просторам галактики, чтобы в день Рождества Христова по новому стилю, то есть 25 декабря, как его отмечают католики, отделится от материнского корабля, исследующего окрестности самой отдаленной планеты нашей Солнечной системы – Сатурна, и направится в путь к самой крупной луне нашей галактики – спутнику Сатурна – Титану. В этот момент в дальних просторах космоса зазвучали первые такты специально для этого случая написанной композиции Musik2Titan, название которой можно перевести как «Музыка для Титана».

Он больше чем Плутон или Меркурий и обладает плотной атмосферой и необычной геологией поверхности - словом на Титане полно интригующих нас тайн.

Поясняет главный научный руководитель проекта Кассини Camdice Hansen. Аналогичного мнения придерживается Manfred Gaida из Немецкого центра аэрокосмических исследований.

Для нас Титан представляют собой целину, так сказать новый континент – который еще только предстоит открыть, поскольку сегодня об этой луне системы Сатурна нам известно очень и очень мало. Честно говоря, нам практически ничего неизвестно. Мы знаем только, что Титан – это единственная в нашей галактике луна, обладающая настолько плотной атмосферой, что наши приборы не могут проникнуть через ее слои, чтобы подробно рассмотреть ее поверхность.

Эту завесу тайны удалось несколько приподнять камерам материнского корабля Кассини, который в последнее время уже несколько раз пролетал относительно невысоко над Титаном и передал фотографии его поверхности планеты на Землю. Говорит Carolyn Porco, сотрудница Европейского космического агентства, отвечающая за оптические приборы на зонде Кассини:

На фотоснимках видны темные и светлые пятна, происхождение которых нам не совсем понятно. Кроме того, на них можно разглядеть ясно очерченные линии, которые можно интерпретировать как океанский берег. Нам удалось обнаружить на Титане остров, который своими очертаниями сильно напоминает Великобританию, на нем можно даже увидеть озеро Лох-Несс.

И, тем не менее, пока еще спорно, являются ли эти темные участки на фотографиях поверхности Титана морями, или нет. Если это действительно так, то на Титане они состоят не из воды, а из метана, который при царящих там температурах в минус 140 градусов Цельсия перестает быть газом и становится жидкостью. Снимки Титана, сделанный в невидимых лучах спектра, показали, что он не только является единственной в Солнечной системе луной, обладающей собственной атмосферой, но также и то, что эта атмосфера – относительно ее поверхности – намного плотнее земной. Однако в видимом спектре от пытливых взоров ученых поверхность Титана закрывают толстый слой облаков. Говорит Carolyn Porco:

Судя по последним снимкам, верхний слой поверхности Титана сравнительно недавнего происхождения. На них можно обнаружить относительно немного круглых образований, которые мы склонны интерпретировать как кратеры, возникшие в результате столкновения Титана с метеоритами. Однако из этой посылки вовсе не следует, что такие столкновения вообще не имели места. Если в последствии более поздний гладкий слой закрыл древнюю поверхность Титана, то нам сегодня не возможно увидеть то, что спрятано под этим более поздним слоем.

Повышенный интерес научного мира к спуску на эту луну посадочного модуля Гюйгенс объясняется отсутствием каких бы то ни было знаний, относительно геологической структуры поверхности Титана. Отправившись в свой трехнедельный путь в ночь перед Рождеством, европейский зонд-разведчик достигнет поверхности Титана в середине января.

Мы надеемся, что посадка будет мягкой, и что зонд сможет еще около получаса продержаться в суровых условиях Титана. Более точно мы ничего сказать не можем.

Говорит Манферд Гайда из Немецкого центра аэрокосмических исследований. Астрономы придерживаются мнения, что облака на Титане на 90 процентов состоят из углерода. Остальные 10 процентов – метан. Эта смесь не дает земным телескопам проникнуть за завесу облаков.

В любом серьезном метеорологическом исследовании уделяется довольно много внимания вопросу розы ветров. Однако наш зонд, который полетит в атмосферу Титана, не сможет измерить ни силу, ни направление ветра, поскольку он сам будет лететь вместе с ветром. Правда, мы в состоянии определить направление его полета с помощью уже известных нам данных, ориентируясь по местонахождению материнского корабля Кассини. Благодаря измерению степени смещения радиосигнала от Гюйгенса к Кассини, мы сможем сделать выводы о направлении и силе ветра в верхних слоях атмосферы Титана.

Поясняет Michael Bird – главный научный руководитель проекта Гюйгенс.

То, что Титан – спутник другой планеты – обладает плотной атмосферой – явление из ряда вон выходящее. По большей части луны состоят из сухих обломков камней, неинтересных для исследователей и лишенных какой бы то ни было жизни. Наличие на Титане атмосферы объясняется тем, что

Сатурн и Титан значительно удалены от солнца и, следовательно, получают относительно мало солнечного тепла. В этих регионах галактики довольно холодно. А так как при низких температурах молекулы воздуха движутся медленнее, чем при высоких, Титан, невзирая на свою малую силу притяжения, способен удержать эти молекулы. Если бы Титан находился бы ближе к солнцу, скажем, примерно на орбите Меркурия, то в таком случае он бы уже давно потерял свою атмосферу. Нагретые солнечным теплом молекулы ускорили бы свой бег и, в конце концов, набрали бы скорость, достаточную для того, чтобы покинуть поле притяжении Титана.

Однако долго исследовать атмосферу Титана научно-исследовательскому зонду Гюйгенс не придется. Неясно даже, уцелеет ли зонд после столкновения с поверхностью Титана, ведь особой прочностью его конструкция не обладает. По словам Michael Bird

Если бы нужна была 100-процентная уверенность в том, что зонд сможет без потерь перенести посадку на Титан, то, скорее всего, вся миссия стоила бы в два раза дороже. С другой стороны, определенные испытания на прочность, проведенные в Швеции, показали, что после падения на поверхность Земли с аналогичной скоростью, зонд без проблем продолжал дальше работать.

Говорит Jean Pierre Lebreton – руководитель миссии Гюйгенс при Европейском аэрокосмическом агентстве.

Мы не знаем, где Гюйгенс произведет посадку. Может быть, это будет твердая поверхность, а может быть, зонд упадет в море. Несмотря на отличные снимки, сделанные материнским кораблем Кассини, у нас нет пока никаких доказательств существования на Титане океанов из жидкого метана. Однако я надеюсь, что они там есть, поскольку в этом случае, имеется надежда на наличие там условий для зарождения жизни.

Как бы то ни было, срок жизни зонда Гюйгенс на Титане ограничено четырьмя часами, за которые ему предстоит исследовать атмосферу этой луны и передать собранные данные на материнский зонд Кассини.

И вот за это короткое время земные ученые надеются заглянуть в далекое прошлое нашей планеты. В те времена, когда жизнь на Земле еще не зародилась. Специалисты из американского космического агентства НАСА уверены, что сегодня Титан сильно напоминает Землю, какой она была миллиарды лет назад. По крайней мере, на это обстоятельство указывалось в некоторых пресс-релизах американцев. Однако, по мнению геолога Jim Kasting, эта аналогия не совсем верна.

Это пункт из пресс-релизов американского космического агентства НАСА многие понимают превратно. Там Титан часто сравнивается с Землей до появления на ней жизни, однако, это не совсем так. Поскольку перед тем, как на Земле появилась жизнь, в ее атмосфере практически не было метана. Метан на Земле имеет органическое происхождение.

Профессор университета американского штата Пенсильвания занимается исследованиями древних слоев земной породы на предмет обнаружения там следов былой атмосферы. Согласно его изысканиям, воздушная оболочка Земли до появления на ней жизни, состояла из элементов, которых сегодня в атмосфере Титана нет.

На Земле тогда не было метана. До появления жизни в земной атмосфере доминировали двуокись углерода, углекислый газ, и водород. Три миллиарда лет назад к формированию воздушной оболочки Земли подключились первые живые организмы – одноклеточные, которые перерабатывали двуокись водорода в метан. Благодаря их неустанным трудам 2 миллиарда и 300 миллионов лет назад метан стал важнейшим для земной атмосферы газом, вызвавшим значительное изменение климата.

Поскольку в первые миллиарды лет после возникновения вселенной Солнце светило несколько слабее, чем сегодня, на Земле было довольно холодно и неуютно. Однако на первых порах недостаток тепла компенсировался парниковым эффектом, возникновению которому немало содействовала вулканическая активность, поставляющая в атмосферу все новые партии двуокиси углерода. Затем, по мере ослабления силы вулканов, их роль переняли бактерии, которые начали в больших количествах производить метан.

Бактерии принялись перерабатывать водород, превращая в метан, и качать его в атмосферу. Климат на земле становился все теплее, несмотря на то, что содержание двуокиси углерода в воздухе уменьшилось. И через сотни миллионов лет парниковый эффект, вызванный высоким содержанием в атмосфере Земли двуокиси углерода, сменил парниковый эффект, вызванный повышенным содержанием в земном воздухе метана.

Сегодня в богатой кислородом атмосфере Земли, метан не обладает особой стабильностью и полностью разлагается всего лишь за несколько лет, тогда как в те далекие времена в бедной кислородом воздушной оболочке земли метан мог безбедно существовать в течение десяти тысяч лет. Метан не давал Земле остыть. Только вот небо над головой было красного, а не привычного для нас голубого цвета. Нагретый в солнечных лучах метан концентрировался, что приводило к образованию больших масс углеводорода, которые закрывали небо плотными розовато-красными облаками.

Капли углеводорода предпочитают красноватую сторону спектра. В этой ранней фазе Земля выглядела скорее розовой или оранжевой, сильно смахивая на сегодняшний Титан.

Однако розовая идиллия над Землей продолжалась не вечно. Красный период закончился с появлением на нашей планете явления фотосинтеза. Как бы то ни было, растениям понадобилось около 500 миллионов лет для того, чтобы увеличить содержания кислорода в воздушной оболочке Земли в должной мере. Наличие кислорода вызвало разложение метана: розовая вуаль над землей была разорвана, и небо снова стало голубым. Однако вместе с исчезновением метановых облаков исчез и парниковый эффект.

Что мне действительно нравится в метановой атмосфере Земли – так это то, что его исчезновением объясняется начало первого ледникового периода. Содержание кислорода в воздухе увеличилось, метана уменьшилось, парниковый эффект сошел на нет, и на земле начали расти ледники. Мне нравится такое объяснение хода событий.

Американский ученый-геолог убежден в своей правоте, обосновывая свою теорию тем, что на Земле не существует никакого другого действенного механизма, с помощью которого можно было бы произвести достаточно большое количество метана. Какое же значение имеет этот вывод для Титана?

Я думаю, что Титан может служить аналогией для той фазы земной истории, когда на нашей планете появилась первые ростки жизни. Тогда Земля, подобно сегодняшнему Титану, обладала атмосферой, наполненной метаном. Однако на Земле метан был органическое происхождения, а на Титане, по всей видимости, дело обстоит иначе.

Происхождение метана на Титане – вопрос, который волнует научный мир. И тот, кто найдет на него ответ, заслуживает Нобелевской премии. Наличие жизни при температуре минус 180 градусов Цельсия более чем маловероятно. Следовательно, метан должен был образоваться в ходе неких физических процессов. Что это за процессы и что скрывается за густыми метановыми облаками на Титане – пока по-прежнему остается тайной.

Однако давайте вернемся к другим задачам, стоящим перед исследователями системы Сатурна. Ведь ограничиваться изучением Титана земные ученые не собираются. В списке интересующих науку объектов стоят другие луны Сатурна, а также легендарные кольца, окружающие планету. Надо сказать, что сегодня в поле зрения исследователей попали не только видимые частицы колец, но и тот материал колец Сатурна, который не виден невооруженным глазом. Norbert Krupp из института имени Макса Планка специализируется на этом малоизученном вопросе.

Мы пытаемся с помощью наших инструментов сделать зримым невидимое. Мы отправили к Сатурну специальную камеру, для обнаружения невидимых глазу частиц. И должен сказать, что процессы, происходящие в этой материи-невидимке, представляют для науки не меньший интерес, нежели процессы, наблюдаемые в видимой части колец.

Камера для обнаружения невидимой материи, регистрирует движение самых малых частиц, их полярность и массу. Круп уже произвел оценку первых данных, полученных с помощью этой камеры, и пришел к выводу, что в, казалось бы, пустом пространстве, окружающем Сатурн, движутся ионы воды, то есть электрически заряженные частицы соединения элементов водорода и кислорода, выбитые электронами из материи, составляющей кольца Сатурна. Эти процессы имеют принципиальное значение, поскольку…

Чем больше таких частичек будет выбито из колец, тем быстрее они исчезнут. Таким образом, имеются свидетельства того, что жизненный цикл колец Сатурна намного короче, нежели первоначально предполагалось. А значит, вполне вероятно, что через пару миллионов лет, что по астрономическим меркам весьма небольшой срок, от колец Сатурна не останется и следа.