«Всегда волнительно, когда открываешь что‑то, чего раньше никто не видел. Это действительно самая приятная часть нашей работы»
Разделённые миллиардами километров и сформированные совершенно разными условиями окружающей среды, туманный спутник Сатурна Титан и карликовая планета Плутон, на первый взгляд, имеют мало общего.
Титан — геологически активный мир, окутанный атмосферой более плотной, чем земная; его ландшафт сформирован морями жидкого метана и обширными дюнами, сложенными из органических частиц, выпадающих с неба в виде дождя. Плутон, напротив, представляет собой ледяной аванпост с разреженной атмосферой, парящей над ледяной, замёрзшей поверхностью.
Тем не менее, наблюдения с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» показали, что эти два непохожих мира имеют одинаковую, пока не объясненную инфракрасную сигнатуру на своих поверхностях — признак того, что, несмотря на их резкие различия, на обоих мирах, возможно, происходят схожие химические процессы, полагают учёные.
Как подробно описано в новом исследовании, эта особенность проявляется на точно такой же инфракрасной длине волны как на Титане, так и на Плутоне, что указывает на то, что она поглощает свет одинаково на обоих мирах. Этот сигнал указывает на наличие неизвестного соединения или группы родственных соединений, которые учёные ещё не идентифицировали.
«Это довольно загадочно, — сказал Space.com Бруно Безар, планетолог из Парижской обсерватории, возглавивший это открытие. — Мы не можем сказать, что это такое».
В поисках сигнала
Безар впервые обнаружил эту необъяснимую особенность при анализе данных наблюдений Титана, полученных в ноябре 2022 года, когда телескоп «Уэбб» зарегистрировал инфракрасное излучение, проникающее сквозь дымку в очень конкретных узких диапазонах длин волн, что позволило учёным заглянуть прямо сквозь иначе непрозрачную атмосферу.
Чтобы разобраться в природе этого излучения, исследователи используют спектроскопию — метод, позволяющий идентифицировать соединения по конкретным длинам волн света, которые они поглощают. Поскольку каждая молекула оставляет после себя уникальный спектральный отпечаток, который могут обнаружить телескопы, астрономы могут регулярно идентифицировать вещества по всей Солнечной системе и за её пределами — от простого водяного льда до сложных молекул.
Однако, как отмечается в исследовании, недавно обнаруженная особенность не совпадает ни с одним из стандартных спектров, занесённых в библиотеку на данный момент, и, по‑видимому, не является признаком случайной поломки оборудования. Точно такая же линия поглощения была обнаружена двумя разными приборами «Уэбб» — ближним инфракрасным спектрографом (NIRSpec) и среднеинфракрасным прибором (MIRI) — что исключает возможность приборного артефакта.
Не найдя совпадения с каталогизированными спектральными отпечатками самых простых и распространённых видов планетарного льда, Безар задался вопросом, не может ли другой мир с похожим химическим составом атмосферы пролить свет на эту загадку. Он обратился к своему коллеге Эммануэлю Леллушу из Парижской обсерватории, который возглавлял программу «Уэбба», в рамках которой в мае 2023 года проводились наблюдения за Плутоном.
«Я спросил его: „Есть ли у вас такая же сигнатура [на Плутоне] именно на этой длине волны?“, — вспомнил Безар в интервью Space.com. — Мы проверили и обнаружили, что она там действительно присутствует».
Приземлённые факты
По словам Безара, нет никаких доказательств того, что эта загадочная молекула является биосигнатурой. Скорее всего, она отражает пребиотические химические процессы, протекающие в бескислородной среде Титана уже более 4 миллиардов лет.
Одной из вероятных гипотез является то, что она принадлежит к семейству углеводородов, известных как аллены, которые, как отмечается в исследовании, являются практически единственными органическими соединениями, демонстрирующими сильные полосы поглощения в том же 5-микронном инфракрасном диапазоне, что и загадочный сигнал.
Однако, по словам Безара, семейство алленов включает множество сложных вариантов, полные спектры которых пока не известны. Как вариант, этот сигнал может принадлежать известной молекуле, спектральный отпечаток которой сместился, возможно, из‑за смешения с другими видами планетарного льда, которые ещё не были полностью каталогизированы.
«У нас есть спектры только для самых простых из них, — сказал Безар. — Но возможно, что в рамках этого семейства можно найти одно или несколько соединений, которые присутствуют вместе и создают такую линию поглощения».
Каким бы ни оказалось это соединение в конечном итоге, Безар и его команда полагают, что оно образуется в атмосфере в результате фотохимических реакций, а затем «выпадает в виде снега» на поверхность.
Несмотря на разительные различия, и у Титана, и у Плутона есть атмосферы, в которых преобладают азот и метан. Из наблюдений космических аппаратов и лабораторных моделей учёные знают, что в верхних слоях атмосфер этих небесных тел ультрафиолетовое излучение солнечного света расщепляет эти молекулы, вызывая каскад высокореактивных химических фрагментов. Затем эти фрагменты вновь объединяются в сложные органические соединения, некоторые из которых конденсируются и в виде снега оседают на поверхность, где их и обнаружил «Уэбб».
Существует несколько различных доказательств, подтверждающих этот путь от атмосферы к поверхности. Во‑первых, команда проанализировала поведение сигнала по всему диску Титана. Как отмечается в исследовании, по мере того как «Уэбб» сканировал Титан от центра его круглой поверхности к внешнему краю, или лимбу, загадочный сигнал неуклонно ослабевал.
«Именно этого и следует ожидать, если сигнал исходит с поверхности [спутника]», — сказал Безар.
Из‑за трёхмерной геометрии наблюдения за сферой сигнал, исходящий от плоской поверхности, будет казаться наиболее сильным в центре и ослабевать к краю, где угол обзора через атмосферу становится больше, а сигнал — более затушёванным. Эта специфическая особенность ослабления не наблюдалась у угарного газа в атмосфере, который проверяла команда: его интенсивность оставалась практически неизменной от центра до лимба, пояснил Безар, что помогло команде сделать вывод о том, что эта загадочная молекула, вероятно, находится на поверхности.
Плутон предоставил независимые доказательства в поддержку этой теории о поверхностном происхождении вещества. По словам Безара, его атмосфера, представляющая собой практически вакуум, физически слишком разрежена и малоплотна, чтобы генерировать поглощающую линию наблюдаемой глубины, в результате чего твёрдая поверхность карликовой планеты остаётся единственным правдоподобным источником этой линии.
Чтобы дополнительно проверить гипотезу об атмосферном происхождении, команда изучила данные наблюдений «Уэбба» за спутником Юпитера Ганимедом. Поскольку у Ганимеда отсутствует атмосфера, состоящая из азота и метана, на нём не может происходить тот же фотохимический процесс, что и на Титане и Плутоне. Как и ожидалось, исследователи не обнаружили никаких следов этой загадочной особенности, что ещё раз подтверждает теорию о том, что данное соединение уникальным образом связано с химическими процессами в атмосферах, состоящих из азота и метана.
Картирование поверхности Титана
Ситуация может проясниться в ближайшие месяцы. В настоящее время исследователи анализируют новые данные наблюдений «Уэбба», которые дают более полное представление о Титане во время его вращения. Эти данные позволят команде составить карту загадочной инфракрасной сигнатуры по всей поверхности спутника и определить, связана ли она с конкретными геологическими особенностями, такими как обширные, богатые органическими веществами дюнные поля Титана, которые постоянно пополняются медленным дождём сложных частиц, образующихся в атмосфере.
Для получения дополнительных подсказок, возможно, придётся дождаться миссии НАСА Dragonfly — летательного аппарата размером с автомобиль, запуск которого запланирован на 2028 год, а прибытие к Титану — на середину 2030-х годов.
Хотя Dragonfly не оснащён инфракрасным спектрометром, позволяющим повторить измерения света, проводимые «Уэбб», его бортовой масс‑спектрометр даст ему возможность «проанализировать» органические молекулы в различных геологически интересных районах, к которым полетит аппарат. По словам Безара, выяснив, какие соединения действительно присутствуют на поверхности Титана, миссия сможет предоставить учёным список кандидатов для воспроизведения в лабораториях на Земле, чтобы проверить, соответствуют ли они характеристикам загадочной молекулы.
«Всегда волнительно, когда открываешь что‑то, чего раньше никто не видел, — сказал Безар. — Это самая приятная часть нашей работы».
Новое исследование было принято к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics.
