Титанические странности: что скрывает самое загадочное тело Солнечной системы?
На поверхности Титана простираются моря из углеводородов. Пляжи вокруг них состоят из нафталинового наэлектризованного песка. А под ними океаны из жидкой воды, в которых может существовать жизнь. Гравитация на этом спутнике Сатурна всемеро слабее нашей, но атмосфера похожа на земную и почему-то в четыре раза плотнее. Как все эти странности могут совмещаться в одном небесном теле? Есть ли на нём жизнь? И почему его так трудно исследовать?
Титан — вторая по размеру луна в Солнечной системе. Он на 40 процентов больше и на 80 процентов тяжелее земной Луны. Рядом с Землёй это карлик — в 2,5 раза меньше по диаметру и в 44 раза легче за счёт втрое меньшей плотности. Крупнейший спутник Сатурна получает в сто раз меньше солнечного света. Поэтому на нём всегда –180 по Цельсию, а ультрафиолет так слаб, что под покровом плотной атмосферы могут сохраняться углеводороды, из которых состоят местные моря. Но, несмотря на запредельный холод и "горючие водоёмы", Титан, как это ни странно, вполне может быть прибежищем жизни земного типа. Только точно выяснить это крайне сложно — уж очень непривычно устроено это тело.
Кто выпил море?
Кроме Земли и Титана, в нашей системе никаких тел с поверхностными морями нет. И на первый взгляд те, что на Титане, много меньше земных. Даже Море Кракена чуть меньше Франции, хотя и больше Каспия. Однако спутник Сатурна по площади в шесть раз меньше Земли. Поэтому для него и это немало. Кстати, в этих морях в 300 раз больше углеводородов, чем во всех доказанных месторождениях нашей планеты!
Углеводороды Титана таят загадку. По расчётам планетологов, их должно быть намного больше. Дело в том, что в 2005 году на Титане уже побывал посадочный аппарат "Гюйгенс". По его данным, метана в атмосфере луны Сатурна содержится до нескольких процентов. Взаимодействуя с ультрафиолетом, он должен образовывать этан. А тот, в свою очередь, из-за низкой температуры обязан превращаться в жидкость и выпадать в виде осадков. Причём испаряться обратно в атмосферу жидкий этан из-за холода может не больше чем на сантиметр в год, а вот выпадать в виде дождя — способен куда больше. Все расчёты показывают, что Титан должен быть покрыт "глобальным" этановым океаном в сотни метров глубиной. Однако в действительности моря и озёра есть только в северном полушарии, и даже там их меньше, чем суши.
Объяснить всё это очень сложно. Согласно одной довольно смелой гипотезе, сплошной океан на Титане отсутствует потому, что углеводороды пропитали собой верхние слои поверхности спутника. Они образовали что-то вроде подземных водоносных слоёв нашей планеты, и на поверхности остаётся лишь то, что уже "не помещается" ниже. Тогда углеводородов на этом небесном теле не в 300 раз больше земного, а куда как более.
Эта гипотеза отлично объяснила и целый ряд других проблем. Например, на спутнике очень мало следов кратеров. Да, местная, в основном азотная (как на Земле), атмосфера вчетверо плотнее нашей, и её сравнительно плотные слои простираются до немыслимой высоты в тысячу километров. Большинство метеоритов должны сгорать в ней, не добравшись до поверхности спутника. Но и это не объясняет полного отсутствия кратеров — по-настоящему крупный астероид и такая атмосфера не остановит. Другое дело, если Титан покрыт болотами, которые лишь сверху кажутся твёрдыми. Кратер в таком болоте быстро затянется, оставив за собой разве что небольшое поверхностное озерцо.
Лучший критерий истины — практика. В 2005 году "Гюйгенс", после двух с половиной часов снижения через огромную по высоте атмосферу, всё же достиг поверхности — и погрузился в неё опорами на 15 сантиметров. При этом газоанализаторы на борту аппарата зарегистрировали всплеск концентрации метана. Видимо, он выделился из грунта. Как мы отмечали выше, гравитация на Титане всемеро слабее нашей, и такое погружение опор значит, что поверхность на нём трудно назвать твёрдой. Скорее, она похожа на снег. Если что-то сядет на болотистую поверхность на Земле, то опоры у него тоже провалятся, да и выделения метана вполне возможны.
Похоже, углеводородные моря Титана "выпили" местные же углеводородные болота и этаноносные слои. Хорошо, но что же лежит под ними?
Замаскирован в нафталине
Самой большой проблемой и загадкой спутника является его внутренний состав. В таких телах должно быть много водного льда. Он складывает поверхность Европы, Ганимеда и многих других крупных спутников в Солнечной системе. Будь Земля на таком же удалении от Солнца, как и они, — основную часть её оболочки тоже покрывал бы толстый слой водного льда. На спутниках гигантских планет не так солнечно, отчего воды там больше земной "нормы", а твёрдых пород меньше. Из них состоит главным образом скалистое ядро. Если есть много водного льда, то трудно избежать и появления водного океана. На какой-то глубине становится достаточно тепла от радиоактивного распада тяжёлых элементов в ядре и образуется солёный и потенциально богатый органикой океан — как на Энцеладе, например.
Титан в десять раз больше Энцелада в диаметре, и океаны там могли бы быть куда крупнее. Однако найти на Титане водный лёд и однозначно его идентифицировать оказалось не так просто. На поверхности много углеводородов — они образуют не только моря, но и дюны, состоящие из нафталина. Такие "нафталиновые горки" покрывают значительную часть спутника и в высоту достигают сотни метров. Ширина их доходит до километра, а длина — до многих километров. В районе, где садился "Гюйгенс", поверхность слабо напоминала нормальный блестящий водный лёд. Она оказалась куда темнее ожидаемого: видимо, к водному льду примешивается какой-то тип льда углеводородного.
Недавняя работа показала, что гранулы нафталина на Титане сцеплены друг с другом гораздо сильнее, чем это возможно на Земле. При периодическом перетряхивании, которое обеспечивает ветер, они электризуются и слипаются в комья, что придаёт дюнам значительную устойчивость. Так что ледяная поверхность надёжно замаскирована под дюнами и болотами, насыщенными этаном/пропаном. Отдельные участки эродированного водного льда вроде бы есть, но их исследовали пока лишь дистанционно.
Танк завяз в болоте
Как исследовать заболоченно-нафталиновый мир, пока не очень понятно. Никакого "титанохода" туда никто не отправлял и в ближайшее время не отправит. Титан в 1,3 миллиарда километров от Земли, а у NASA пока не хватает денег и на полёт к Луне в 400 000 километров. А другие космические агентства туда вообще приличный планетоход отправить не могут.
К тому же создать "луноход" для такой сложной поверхности очень непросто. Если она болотиста, то колёса не подойдут, а гусеницы могут забиться кашеобразным по консистенции грунтом. Идеальный вариант — дрон на воздушном шаре и небольшой спускаемый аппарат, возможно, плавающий. Он мог бы передвигаться по мелким углеводородным морям, не рискуя завязнуть.
Однако интереснее всего было бы провести бурение на поверхности и узнать её детальный состав. Увы, как мы уже писали, даже на твёрдой поверхности бурить у планетоходов получается плохо. Специализированный неподвижный аппарат типа "Луны-24" может углубиться и на два метра. Но подвижный планетоход с таким буром, скорее всего, будет тяжёлым и сложным, что поднимет стоимость всей миссии.
Ещё лучше было бы высадить туда людей. Благо при плотной атмосфере они будут получать намного меньше ионизирующего облучения, чем житель Москвы, а взлёт и посадка с тела, где гравитация меньше лунной, не потребуют много топлива. К сожалению, лететь туда и обратно минимум 2,6 миллиарда километров — в десятки раз дальше, чем до Марса. Такое можно реализовать только на очень больших кораблях, где можно поставить радиационную защиту (такие планирует сделать Илон Маск). Или на космическом буксире с ядерной установкой (её хочет создать "Роскосмос"), где скорость в пути так велика, что защита вообще не требуется. Пока оба проекта предельно далеки от реализации, и полёт на Титан небезопасен для космонавтов.
Подболотные океаны
Но всё же кое-что можно узнать, несмотря на заболоченную поверхность и дальнюю дорогу. Так, в атмосфере Титана есть метан, причём главным образом у поверхности — на высоте его разлагает ультрафиолет. Но если метан разлагается солнечными лучами, то за миллиарды лет он уже давно должен закончиться. А значит — его подпитывает какой-то источник, вероятно подповерхностный.
На Титане есть горы, высотой до 3,3 километра. Есть и криовулкан Патера Сотра, с впечатляющим кратером и потоками застывшего твёрдого вещества, напоминающего внешне лаву земной Этны. Всё это свидетельствует, что на спутнике Сатурна есть хотя и слабый, но криовулканизм — извержения, в которых роль лавы играет жидкая вода. А с водой наверх может выносить и метан.
Если такие извержения происходят, значит, под поверхностью Титана немало жидкой воды. По расчётам, под верхними 30 километрами водяного льда глубина глобального подлёдного океана может достигать 200 километров. В атмосфере Титана так много азота, что учёные подозревают его подпитку из богатого аммиаком океана. Смешиваясь с водой, аммиак может работать как антифриз, позволяя ей оставаться жидкой при многих десятках градусов ниже нуля.
Хотя обычно для земной жизни аммиак в больших дозах ядовит, это вовсе не означает, что местный океан действительно будет необитаем. Как мы уже отметили выше, в атмосферу откуда-то снизу постоянно приходит метан. Однако никакой метан не смог бы подняться через океан в 200 или хотя бы 60 километров глубиной, потому что в этом случае на его дне слишком высокое давление. Метан там сразу превращался бы в газовые гидраты типа тех, что есть на дне земных океанов. Такие соединения сравнительно стабильны. Метан из них не может быть источником атмосферного. Довольно вероятный кандидат на роль подобного источника — жизнь.
Атмосфера — из отходов жизнедеятельности?
На Земле существуют одноклеточные археи-метаногены (не путаем с бактериями), которые живут за счёт водорода и углерода. Водород почти неизбежен везде, где есть силикаты (скалистое ядро Титана) и вода (подлёдный океан). При их взаимодействии происходит серпентинизация и выделяется водород. Отходы жизнедеятельности метаногенов, как нетрудно догадаться, — метан. Газ этот и при криоизвержениях, и просто через трещины мог бы довольно быстро подниматься вверх.
Кроме того, даже на нашей планете есть две группы бактерий, способные при взаимодействии питаться аммиаком из подлёдного океана Титана, делая азот. Первые из них — окисляющие аммиак аэробно. При этом две молекулы аммиака плюс три кислорода дают две молекулы диоксида азота, водород и воду.
Вторая группа — анаэробные бактерии вроде Anammoxoglobus. О последних часто не знают даже биологи-профессионалы, не интересующиеся азотным циклом. Они потребляют обычно ядовитый аммиак и диоксид азота из предыдущей реакции. После головокружительных промежуточных реакций, где образуется даже сверхтоксичный гидразин (ракетное топливо), в качестве отходов эти экзотические бактерии выдают чистый азот и воду.
Выше уже отмечалось: азота в атмосфере Титана безумно много, да и метана, хотя он постоянно расщепляется ультрафиолетом, не так мало. Логичных объяснений этому, исходя из известных фактов, практически нет. Гравитация Титана слабее лунной. Луна возникла из того же материала, что и Земля. Однако заметной азотной атмосферы у неё давно нет — из-за слабой гравитации она улетела в космос почти сразу. В Солнечной системе вообще нет других спутников со сколько-нибудь заметной атмосферой. Титан в гордом одиночестве, и вряд ли это просто так. Что-то должно быть источником его азота и метана, и едва ли не единственный непротиворечивый претендент на эту роль — именно жизнь.
Понятно и то, почему азота в газовой оболочке спутника больше метана. Аммиак изначально должен быть присущ недрам Титана. Он вообще типичен для базовых соединений, из которых возникали тела Солнечной системы. Вот углерода там должно быть намного меньше, а без него метаногенам будет сложнее. На одну молекулу отходов их жизнедеятельности (то есть метана) нужен один атом углерода.
Аммиакоядным бактериям дефицитный углерод нужен куда меньше. Поэтому они должны давать основную часть гипотетической биомассы крупнейшего спутника Сатурна. Расчёты показывают, что даже при биопродуктивности в три раза меньше, чем у земных океанов, они могли бы выдать достаточно азота, чтобы обеспечить наблюдаемую в местной атмосфере концентрацию этого газа.
Уникальный мир
Итак, Титан, несмотря на минус 180 на поверхности, действительно выглядит местом, где возможна жизнь. Хотя это и не очень обычные условия, но существовать в них в теории могут даже бактерии с Земли. Остаётся вопрос: в чём причина его уникальности? Почему он так сильно отличается от остальных лун системы?
Пожалуй, на этот вопрос пока нет ответа. Часто говорят, что азотную атмосферу Титан приобрёл за счёт того, что когда-то был покрыт аммиаком, а тот под действием солнечного ультрафиолета разложился на водород и азот. Лёгкий водород "улетел", тяжёлый азот задержался. Объяснение так себе: аммиак "на стадии сборки" был на всех телах системы, но почему-то азотной атмосферы больше ни у кого нет, только у Титана и Земли.
И даже понятно почему. Как только азот образует достаточно плотную оболочку, количество ультрафиолета, поступающего к поверхности, резко падает. Дальше разлагать аммиак становится нечем. Если бы сейчас на Титане было плюс 26 и нужные для дыхания газы, загорать там можно было бы бесконечно долго. Вот только загара не добиться: атмосфера практически непрозрачна для ультрафиолета.
Если существование плотнейшей из известных азотных атмосфер и дополняющего её метана объясняется жизнью, то и здесь не всё просто. У Юпитера есть ещё более крупный спутник — Ганимед. На нём тоже есть подлёдный океан, хотя оболочка над ним и потолще. В нём точно так же предполагаются следы аммиака, которым могли бы питаться живые существа. Скалистое ядро и подлёдный океан большой глубины внутри Ганимеда тоже в наличии. Вода плюс силикаты и тут должны давать водород. Но никакой достойной упоминания атмосферы — ни азотной, ни метановой — там нет и следа. Почему там ничего нет, а на Титане есть? Что ж, пока этот спутник Сатурна по праву сохраняет титул самого загадочного тела нашей системы.