Титан – не самое обиходное наименование и не самая известная планета. Просматривая список знакомых объектов в Солнечной системе, мы обычно о нем не вспоминаем. Но за последние годы этот спутник Сатурна привлек к себе внимание ученых и приобрел первоочередное значение для будущих исследований. В результате самых последних исследований Титана мы обнаружили, что его атмосфера больше похожа на атмосферу Земли – по крайней мере по плотности, – чем у любого другого астрономического объекта в Солнечной системе. Один лишь этот факт придает ему новую значимость, поскольку исследование других планет начинается всерьез.

Кроме того, что Титан является крупнейшим спутником Сатурна, он также, согласно последним исследованиям Джозефа Веверки, Джеймса Эллиота и других ученых Корнельского университета, является самым крупным спутником в Солнечной системе – около 5800 км в диаметре. Титан больше Меркурия и почти такого же размера, как Марс. И все же он обращается вокруг Сатурна.

Мы могли бы узнать кое-что о природе Титана, изучив две главные планеты во внешней Солнечной системе – Юпитер и Сатурн. Обе в основном имеют красноватую или коричневатую окраску. Иными словами, верхний слой облаков, которые мы видим с Земли, имеет главным образом такой оттенок. Что-то в атмосфере и облаках этих планет поглощает голубой и ультрафиолетовый свет, так что свет, который отражается обратно, к нам, преимущественно красный. На самом деле во внешней Солнечной системе довольно много объектов красного цвета. Хотя мы не можем получить цветные фотографии Титана, поскольку он находится на расстоянии более миллиарда километров и его угловой размер меньше Галилеевых спутников Юпитера, фотоэлектрические исследования показывают, что он ярко-красный. Астрономы, которые размышляли об этой проблеме раньше, считали, что Титан красный по той же причине, что и Марс: вследствие рыжей поверхности. Но происхождение красного цвета у Титана одно, а у Юпитера и Сатурна совсем другое, потому что эти планеты не имеют твердой поверхности.

В 1944 г. Джеральд Койпер методом спектроскопии обнаружил вокруг Титана атмосферу, состоящую из метана, – впервые на спутнике была обнаружена атмосфера. Позднее эти наблюдения были подтверждены, и Лоуренс Трафтон из Техасского университета представил некоторые заставляющие задуматься доказательства присутствия в ней молекулярного водорода.

Поскольку мы знаем количество газа, необходимое для наблюдаемого спектра поглощения, и поверхностную гравитацию, выведенную из массы и радиуса Титана, мы можем вычислить минимальное атмосферное давление. Оно составляет приблизительно 10 мбар, около одного процента атмосферного давления Земли – это больше, чем давление на Марсе. Титан имеет атмосферное давление, самое близкое к земному в Солнечной системе.

Не только лучшие, но единственные визуальные наблюдения Титана в телескоп были сделаны Одуэном Дольфюсом в Мёдонской обсерватории во Франции. Это нарисованные от руки изображения Титана в момент стабильности атмосферы. Дольфюс заметил перемещение пятен и пришел к выводу, что то, что происходит на Титане, не соответствует периоду вращения спутника. (Считается, что Титан всегда обращен одной стороной к Сатурну, как наша Луна к Земле.) Дольфюс предположил, что на Титане могут быть облака, по крайней мере местами.

За последние годы мы много узнали о Титане. Астрономы успешно получили кривую поляризации малых объектов. Идея заключается в том, что изначально неполяризованный солнечный свет падает, скажем, на Титан и, отражаясь, поляризуется. Поляризация регистрируется устройством, которое действует по принципу «полароидных» солнцезащитных очков, но более сложным и чувствительным. Степень поляризации измеряется, когда Титан проходит через малый ряд фаз – между «полным» Титаном и приближающимся к серповидному. Полученная в результате кривая поляризации сравнивается с кривыми поляризации, построенными в лабораторных условиях, и таким образом мы узнаем о размере и составе вещества, ответственного за эффект поляризации.

Первые наблюдения поляризации Титана, сделанные Джозефом Веверкой, показали, что солнечный свет, отраженный от Титана, скорее всего, отражается от облаков, а не от твердой поверхности. Видимо, на Титане есть поверхность и более низкие слои атмосферы, которые мы не видим; густая пелена облаков и расположенная над ней атмосфера, которые мы видим, и над всем этим изредка появляются рваные облака. Поскольку Титан кажется красным и красный свет идет от пелены облаков, согласно этому аргументу, на Титане должны быть красные облака.

Дополнительным подтверждением этой теории является чрезвычайно малое количество ультрафиолета, который отражается от Титана, согласно измерениям Орбитальной астрономической обсерватории. Единственное объяснение слабой яркости отраженного ультрафиолета заключается в том, что ультрафиолет поглощается в высоких слоях атмосферы. Иначе благодаря рэлеевскому рассеянию на самих молекулах атмосферы Титан отражал бы яркий ультрафиолет. (Рэлеевское рассеяние – это преобладающее рассеяние голубого, а не красного цвета, который отвечает за голубые небеса на Земле.)

Но вещество, которое поглощает фиолетовые и ультрафиолетовые лучи, кажется красным в отраженном свете. Так что существует две отдельные цепочки доказательств (или три, если верить рисункам, сделанным от руки) в пользу обширного облачного покрова на Титане. Что мы имеем в виду под обширным? В соответствии с данными о поляризации более 90 % поверхности Титана закрыто облаками. Так что Титан, по всей видимости, покрыт плотными красными облаками.

Второе удивительное открытие было сделано в 1971 г., когда Д. Аллен из Кембриджского университета и Т. Мердок из Университета Миннесоты обнаружили, что наблюдаемое инфракрасное излучение Титана при длине волны от 10 до 14 мкм более чем вдвое интенсивнее излучения, ожидаемого от нагрева Солнцем. Титан слишком мал, чтобы иметь сильный источник внутренней энергии, как Юпитер или Сатурн. Это можно объяснить только тем, что при парниковом эффекте температура поверхности поднимается до тех пор, пока исходящее от планеты инфракрасное излучение не уравновешивает поглощаемое видимое излучение. Именно парниковый эффект поддерживает температуру поверхности Земли выше температуры замерзания и температуру Венеры на уровне 480 °С.

Но что может вызывать парниковый эффект на Титане? Вряд ли углекислый газ и водяной пар, как на Земле и Венере, потому что эти газы замерзли бы на Титане. Я подсчитал, что для такого парникового эффекта необходимо несколько сотен миллибар водорода (1000 мбар – это атмосферное давление на Земле на уровне моря). Поскольку это больше наблюдаемого количества водорода, облака должны быть плотными при определенной длине волн коротковолнового диапазона и почти прозрачными при определенной длине волн длинноволнового диапазона. Джеймс Поллак из Исследовательского центра Эймса НАСА подсчитал, что нескольких сотен миллибар метана также может быть достаточно, и, более того, они могли бы послужить объяснением некоторых особенностей инфракрасного излучения Титана. Такое большое количество метана также должно быть спрятано под облаками. В обеих моделях парникового эффекта фигурируют только газы, которые, как предполагается, существуют на Титане; конечно, могут играть роль и оба газа.

Альтернативная модель атмосферы Титана была предложена покойным Робертом Дэниелсоном и его коллегами из Принстонского университета. Они предположили, что простые углеводороды – такие как этан, этилен и ацетилен, – которые наблюдаются в верхних слоях атмосферы Титана, могут поглощать ультрафиолет, исходящий от Солнца, и нагревать верхние слои атмосферы. В таком случае мы видим в инфракрасном свете горячие верхние слои атмосферы, а не поверхность планеты. Эта модель не включает ни теплую поверхность непонятного происхождения, ни парниковый эффект, ни атмосферное давление в сотни миллибар.

Какая же точка зрения верна? В настоящее время никто не знает. Эта ситуация напоминает исследования Венеры в начале 1960-х гг., когда было известно, что радиояркостная температура планеты высокая, но по поводу того, исходит излучение от горячей поверхности или от горячих слоев атмосферы, велись жаркие споры. Поскольку радиоволны проходят через что угодно, кроме самой плотной атмосферы и облаков, проблема Титана могла бы быть решена, если бы мы располагали надежными измерениями радиояркостной температуры этого спутника. Первым, кто измерил ее с помощью огромного интерферометра Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин-Бэнк, Западная Вирджиния, был Фрэнк Бриггс из Корнуолла. Бриггс измерил температуру поверхности Титана, которая составила –140 °С, с погрешностью 45°. Температура без парникового эффекта должна составлять около –185 °С. Следовательно, наблюдения Бриггса предполагают довольно значительный парниковый эффект и плотную атмосферу, но вероятная погрешность измерений все же так велика, что парниковый эффект может и отсутствовать.

В ходе последующих наблюдений, сделанных двумя другими радиоастрономическими группами, были получены величины, которые были и выше, и ниже результатов Бриггса. Как ни удивительно, самый высокий диапазон температур даже приближается к температурам в холодных регионах Земли. Наблюдаемая ситуация, как и атмосфера Титана, довольно мутная. Эту проблему можно было бы решить, если бы мы могли измерить площадь твердой поверхности Титана радиолокационными методами (в результате оптических измерений мы знаем диаметр Титана по вершинам его облаков). Возможно, для решения этой проблемы придется подождать исследований миссии «Вояджера», в ходе которой к Титану будут посланы два сложных космических аппарата – один подойдет к нему очень близко – в 1981 г.

Какую бы модель мы ни выбрали, в ней фигурируют красные облака. Но какой у них состав? Если мы возьмем атмосферу, состоящую из метана и водорода, и подведем к ней энергию, мы получим ряд органических соединений, и сложные, и простые углеводороды (как те, что необходимы для формирования слоя с инверсией Даниэльсона в верхнем слое атмосферы). В нашей лаборатории в Корнуолле мы с Бишуном Кхаром воссоздаем виды атмосферы, которые существуют во внешней Солнечной системе. Сложные органические молекулы, которые мы синтезируем в них, имеют оптические свойства, похожие на свойства молекул в облаках Титана. Мы считаем, что на Титане существует множество органических соединений – как простых газов в атмосфере, так и более сложных органических соединений в облаках и на поверхности планеты.

Одна из проблем, связанная с большой толщиной атмосферы Титана, заключается в том, что легкий газообразный водород должен улетучиваться из-за низкой силы тяжести. Я могу это объяснить только тем, что водород находится в равновесном состоянии. Иными словами, он улетучивается, но восполняется из некого внутреннего источника – скорее всего, вулканов. Плотность Титана такая низкая, что его ядро, видимо, почти полностью состоит изо льдов. Мы можем считать его гигантской кометой, состоящей из метана, аммиака и водных льдов. Также должна быть небольшая примесь радиоактивных элементов, которые, рас падаясь, нагревают окружающее вещество. Проблему теплопроводимости решил Джон Льюис из Массачусетского технологического института, и ясно, что вещество, которое находится у поверхности Титана, жидкое. Метан, аммиак и водяной пар поднимаются наверх и расщепляются под действием ультрафиолетового излучения Солнца на атмосферный водород и органические соединения облаков. На поверхности Титана могут быть вулканы, состоящие изо льда, а не горных пород, которые извергают время от времени не жидкие горные породы, а жидкий лед – лаву из текущего метана, аммиака и, возможно, воды.

Есть и еще одно последствие того, что водород улетучивается с Титана. Атмосферная молекула, которая достигает скорости, достаточной для того, чтобы покинуть атмосферу Титана, обычно не может преодолеть гравитацию Сатурна. Таким образом, как заметили Томас Макдоноу и покойный Нейл Брайс из Корнуолла, водород, который улетучивается с Титана, формирует диффузный тороид, или кольцо из водорода вокруг Сатурна. Это очень интересное предположение, которое, возможно, относится не только к Титану, но и к другим спутникам. «Пионер-10» обнаружил такой водородный тороид вокруг Юпитера рядом с Ио. Когда «Пионер-11» и «Вояджер-1» и «Вояджер-2» подлетят к Титану, они, возможно, обнаружат тороид около Титана.

Титан будет самым легким объектом для исследований во внешней Солнечной системе. На планеты, где почти нет атмосферы, такие как Ио или астероиды, проблематично приземлиться, потому что мы не можем использовать атмосферное торможение. С гигантскими планетами, такими как Юпитер и Сатурн, противоположная проблема: ускорение из-за гравитации такое большое и увеличение атмосферной плотности такое быстрое, что сложно изобрести атмосферный зонд, который не сгорит при вхождении. У Титана, однако, достаточно плотная атмосфера и достаточно низкая гравитация. Если бы он находился немного ближе, мы, вероятно, запустили бы туда спускаемый аппарат уже сегодня.

Титан – это привлекательный и загадочный мир, источник ценной информации, который, как мы внезапно поняли, оказался доступен для исследования: мы можем запустить космические орбитальные аппараты, чтобы определить глобальные параметры и найти разрывы в облаках, и аппараты для исследования условий входа в плотные слои атмосферы, чтобы взять образец красных облаков и неизвестной атмосферы, а также спускаемые аппараты, чтобы изучить поверхность планеты, которую мы никогда раньше не видели. Титан дает замечательную возможность изучить те виды органических соединений, из которых на Земле могла зародиться жизнь. Несмотря на низкую температуру, отнюдь не исключено, что на Титане есть жизнь. А геология его поверхности, возможно, не имеет аналогов во всей Солнечной системе. Титан ждет…