Новое исследование данных, собранных космическим аппаратом более десяти лет назад, позволяет предположить, что крупнейший спутник Сатурна, Титан, скорее всего, не скрывает под своей ледяной поверхностью массивного океана, как считалось ранее. Вместо этого, по мере продвижения вглубь ледяной оболочки Титана, вероятно, обнаружится череда слоев льда, постепенно переходящих в талые каналы и изолированные карманы жидкой воды ближе к каменистому ядру спутника.
Прежде, основываясь на данных миссии NASA Cassini к Сатурну, ученые предполагали наличие глубокого океана жидкой воды, скрытого подо льдом Титана. Однако компьютерное моделирование этой гипотезы не соответствовало наблюдаемым физическим характеристикам. Более тщательный повторный анализ привел к новым — более «слякотным» — выводам. Эти результаты могут побудить исследователей пересмотреть свои представления о других ледяных мирах и уточнить методики поиска жизни на Титане.
«Вместо открытого океана, подобного земному, мы, вероятно, имеем дело с чем-то вроде арктического морского льда или водоносных горизонтов, что имеет значение не только для типа потенциальной жизни, но и для доступности питательных веществ, энергии и так далее», — объясняет Батист Журно, доцент кафедры наук о Земле и космосе Вашингтонского университета.
Исследование, опубликованное 17 декабря в журнале Nature, проводилось под руководством NASA при участии Журно и Улы Джонс, аспирантки Вашингтонского университета, работающей в его лаборатории.
Миссия Cassini, стартовавшая в 1997 году, почти два десятилетия собирала обширную информацию о Сатурне и его 274 спутниках. Титан, окутанный плотной атмосферой, является единственным местом, помимо Земли, где на поверхности присутствует жидкая среда. При температурах около –183 градусов Цельсия эта жидкость — метан, а не вода. Метан образует озера на Титане и даже выпадает с неба в виде дождя.
Во время движения Титана по вытянутой орбите вокруг Сатурна ученые заметили, что спутник деформируется, растягиваясь и сжимаясь в зависимости от своего положения относительно планеты. В 2008 году исследователи предположили, что эта выраженная деформация могла происходить только при наличии большого океана под корой Титана.
«Степень деформации зависит от внутренней структуры Титана. Глубокий океан позволил бы коре сильнее прогибаться под гравитационным притяжением Сатурна, но если бы Титан был полностью замерзшим, он деформировался бы не так сильно, — объясняет Журно. — Деформация, которую мы обнаружили при первоначальном анализе данных миссии Cassini, могла быть совместима с глобальным океаном, но теперь мы знаем, что это не вся история».
Новое исследование добавило важный фактор, не полностью учтенный в ранних работах — время. Изменения формы Титана отстают примерно на 15 часов от момента максимального гравитационного воздействия Сатурна. Перемещение густого, вязкого материала требует больше энергии, чем перемещение свободно текущей жидкости, подобно тому, как размешивание меда требует больше усилий, чем размешивание воды. Измеряя эту задержку, ученые смогли оценить, сколько энергии поглощает Титан при деформации, что дало представление о вязкости его внутренней структуры.
Оказалось, что количество энергии, рассеиваемой внутри Титана, значительно превышает ожидаемое значение при наличии глобального жидкого океана.
«Никто не ожидал столь сильного рассеяния энергии внутри Титана. Это стало решающим доказательством того, что внутреннее строение спутника отличается от того, что было выведено из предыдущих анализов», — заявил Флавио Петрикка, научный сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA и ведущий автор исследования.
Основываясь на этих выводах, исследователи предложили модель внутреннего строения, состоящего в основном из «снежной каши» со значительно меньшим количеством жидкой воды, чем предполагалось ранее. Этот вязкий материал достаточно плотен, чтобы объяснить замедленную реакцию на гравитацию Сатурна, при этом содержа достаточно воды, чтобы Титан менял форму.
Флавио Петрикка пришел к этим выводам, анализируя частоты радиоволн, передаваемых космическим аппаратом Cassini во время близких пролетов Титана. Журно помог интерпретировать результаты, используя термодинамику. Его работа сосредоточена на поведении воды и минералов под экстремальным давлением — знание, критически важное для понимания, могут ли другие планетарные среды поддерживать жизнь.
«Водный слой на Титане настолько толст, давление настолько велико, что физика воды меняется. Вода и лед ведут себя иначе, чем морская вода здесь, на Земле», — отмечает Журно.
В своей лаборатории планетарной криоминеральной физики в Вашингтонском университете исследователи годами разрабатывали методы для воссоздания экстремальных условий, существующих на других мирах. Используя эти наработки, Журно предоставил Петрикке и его коллегам данные о том, как вода и лед должны вести себя глубоко внутри Титана.
«Мы смогли помочь им определить, какой гравитационный сигнал следует ожидать, основываясь на экспериментах, проведенных здесь, в Вашингтонском университете», — поделился Журно. — «Это было очень ценно».
«Открытие «слякотного» слоя на Титане также имеет важные последствия для поиска жизни за пределами нашей Солнечной системы, — сказала Джонс. — Это расширяет спектр сред, которые мы можем считать потенциально пригодными для жизни».
Хотя идея огромного океана когда-то подпитывала оптимизм в отношении жизни на Титане, исследователи предполагают, что обновленная картина может фактически улучшить шансы. Их анализ показывает, что карманы пресной воды на Титане могут достигать температуры до 20 градусов Цельсия. В этих меньших объемах воды питательные вещества будут более концентрированными, чем в большом океане, что потенциально облегчит выживание простых форм жизни.
Хотя ученые не ожидают обнаружить рыб, плавающих в «слякотных» каналах Титана, любая найденная там жизнь может напоминать организмы, обитающие в полярных регионах Земли.
Журно также участвует в предстоящей миссии NASA Dragonfly к Титану, запуск которой запланирован на 2028 год. Результаты этого исследования помогут информировать будущую миссию, и Журно надеется, что будущие данные предоставят как доказательства жизни, так и окончательный ответ о наличии океана подо льдом Титана.
В число соавторов исследования входят Стивен Вэнс, Марция Париси, Дастин Буччино, Гаэль Касчиоли, Джули Кастильо-Рогес, Марк Паннинг и Джонатан Лунин из NASA; Бринна Дауни из Юго-Западного научно–исследовательского института; Фрэнсис Ниммо и Габриэль Тоби из Нантского университета; Андреа Маньянини из Болонского университета; Амирхоссейн Багери из Калифорнийского технологического института и Антонио Генова из Римского университета Сапиенте. Исследование финансировалось NASA, Швейцарским национальным научным фондом и Итальянским космическим агентством.
