Космический телескоп НАСА «Джеймс Уэбб», дополненный изображениями, полученными с помощью телескопа «Кек II», впервые обнаружил признаки облачной конвекции в северном полушарии Титана, над областью

«Джеймс Уэбб» также обнаружил ключевую углеродсодержащую молекулу, которая даёт представление о химических процессах в сложной атмосфере Титана.

Погода на Титане

На Титане метан играет ту же роль, что и вода на Земле, когда речь идёт о погоде. Он испаряется с поверхности и поднимается в атмосферу, где конденсируется, образуя метановые облака. Иногда он выпадает в виде холодного маслянистого дождя на твёрдую поверхность, где водяной лёд твёрдый, как камень.

«Титан — единственное место в нашей Солнечной системе, где погода похожа на земную в том смысле, что там есть облака и осадки на поверхности», — объяснил ведущий автор исследования Конор Никсон из Центра космических полётов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд.

Команда исследователей наблюдала за Титаном в ноябре 2022 года и в июле 2023 года с помощью телескопа «Уэбб» и одного из двух наземных телескопов обсерватории имени Уильяма Майка Кека. Эти наблюдения не только показали наличие облаков в средних и высоких северных широтах Титана — в том полушарии, где сейчас лето, — но и продемонстрировали, что эти облака со временем поднимаются на большую высоту. Хотя в предыдущих исследованиях наблюдалась конвективная облачность в южных широтах, это первый случай, когда такая конвекция была замечена на севере. Это важно, потому что большинство озёр и морей Титана расположены в его северном полушарии, а испарение из озёр является основным потенциальным источником метана. Их общая площадь сопоставима с площадью Великих озёр в Северной Америке.

На Земле нижний слой атмосферы, или тропосфера, простирается на высоту около 7 миль (12 километров). Однако на Титане, где более низкая гравитация позволяет слоям атмосферы расширяться, тропосфера простирается на высоту около 27 миль (45 километров). Уэбб и Кек использовали различные инфракрасные фильтры для изучения атмосферы Титана на разной глубине, что позволило астрономам оценить высоту облаков. Научная группа наблюдала за облаками, которые, по-видимому, перемещались на более высокие высоты в течение нескольких дней, хотя они не могли напрямую наблюдать за выпадением осадков.

Химический состав титана

Титан представляет большой астробиологический интерес из-за своей сложной органической (углеродсодержащей) химии. Органические молекулы составляют основу всего живого на Земле, и их изучение в таком мире, как Титан, может помочь учёным понять процессы, которые привели к возникновению жизни на Земле.

Основным компонентом, определяющим химическую активность Титана, является метан, или CH4. Метан в атмосфере Титана расщепляется солнечным светом или энергичными электронами из магнитосферы Сатурна, а затем вновь соединяется с другими молекулами, образуя такие вещества, как этан (C2H6), а также более сложные углеродсодержащие молекулы.

Данные Уэбба предоставили ключевую недостающую информацию для нашего понимания химических процессов: был обнаружен метильный радикал CH3. Эта молекула (называемая «радикалом», потому что у неё есть «свободный» электрон, не связанный химической связью) образуется при расщеплении метана. Обнаружение этого вещества означает, что учёные впервые могут увидеть химические процессы в действии на Титане, а не просто исходные ингредиенты и конечные продукты.

Будущее атмосферы Титана

Эта углеводородная химия имеет долгосрочные последствия для будущего Титана. Когда метан распадается в верхних слоях атмосферы, часть его рекомбинирует, образуя другие молекулы, которые в конечном итоге оказываются на поверхности Титана в той или иной химической форме, а часть водорода улетучивается из атмосферы. В результате метан со временем будет истощаться, если не будет какого-либо источника для его пополнения.

Аналогичный процесс произошёл на Марсе, где молекулы воды распались, а образовавшийся водород улетучился в космос. В результате мы видим сегодня сухую пустынную планету.

«На Титане метан является расходным материалом. Возможно, что он постоянно пополняется и выходит из коры и недр на протяжении миллиардов лет. Если нет, то в конце концов он исчезнет, и Титан станет в основном безвоздушным миром пыли и дюн», — сказал Никсон.

Дополняя миссию Dragonfly

Больше тайн Титана будет раскрыто в ходе миссии «Dragonfly» НАСА — роботизированного вертолёта, который должен приземлиться на спутнике Сатурна в 2034 году. Совершая несколько полётов, «Dragonfly» будет исследовать различные места. Его углублённые исследования дополнят глобальный обзор «Уэбба».

«Объединив все эти ресурсы, включая Уэбба, космический телескоп «Хаббл» НАСА и наземные обсерватории, мы сохраняем преемственность между предыдущей миссией «Кассини-Гюйгенс» на Сатурне и предстоящей миссией «Dragonfly», — добавила Хайди Хаммел, вице-президент Ассоциации университетов по исследованиям в области астрономии и междисциплинарный учёный Уэбба.

Источник: NASA, ESA, CSA, STScI и обсерватории У. М. Кека

На изображении:

Эти снимки Титана были сделаны космическим телескопом НАСА «Джеймс Уэбб» 11 июля 2023 года (верхний ряд) и наземной обсерваторией У. М. Кека 14 июля 2023 года (нижний ряд). На них видны облака метана (обозначены белыми стрелками), появляющиеся на разных высотах в северном полушарии Титана.

Слева представлены цветные изображения, полученные обоими телескопами. На изображении, полученном телескопом «Уэбб», свет с длиной волны 1,4 микрона окрашен в синий цвет, 1,5 микрона — в зелёный, а 2,0 микрона — в красный (фильтры F140M, F150W и F200W соответственно). На снимке Кека свет с длиной волны 2,13 микрона окрашен в синий цвет, 2,12 микрона — в зелёный, а 2,06 микрона — в красный (H2 1-0, Kp и He1b соответственно).

В среднем столбце представлены одноволновые изображения, полученные Уэббом и Кеком на длине волны 2,12 микрона. Эта длина волны чувствительна к излучению нижней тропосферы Титана. Крайние правые изображения показывают излучение на длинах волн 1,64 микрона (Уэбб) и 2,17 микрона (Кек), которые характерны для более высоких высот в верхней тропосфере и стратосфере Титана (атмосферный слой над тропосферой). Это показывает, что 14 июля облака находятся на большей высоте, чем 11 июля, что свидетельствует о движении вверх.