Tytan – metanowe jeziora na olbrzymim księżycu Saturna

Poma­rań­czo­wy, nie­prze­nik­nio­ny, dale­ki i zim­ny. A do tego pod pew­ny­mi wzglę­da­mi podob­ny do Zie­mi. Bar­dzo zagad­ko­wy, cho­ciaż nie­któ­re jego tajem­ni­ce uda­ło się wyja­śnić. Tytan – naj­więk­szy księ­życ Satur­na.

Cho­ciaż Tytan został odkry­ty w poło­wie XVII w. (w 1655 roku przez holen­der­skie­go astro­no­ma Chri­stia­ana Huy­gen­sa), dopie­ro w 1944 r. dowie­dzie­li­śmy się, że księ­życ ten oble­ka gęsta i gru­ba atmos­fe­ra. Jej ciśnie­nie jest o poło­wę więk­sze niż na Zie­mi, się­ga ona jed­nak znacz­nie wyżej niż atmos­fe­ra ziem­ska – nawet kil­ka­set kilo­me­trów nad powierzch­nię. Pozo­sta­łe natu­ral­ne sate­li­ty pla­net Ukła­du Sło­necz­ne­go albo nie mają atmos­fe­ry w ogó­le, albo bar­dzo nikłe i rzad­kie – dla­te­go Tytan jest księ­ży­cem wyjąt­ko­wym. Tytan to gigant, roz­mia­ra­mi prze­ra­sta Mer­ku­re­go, jest też jedy­nym, po Zie­mi, cia­łem nie­bie­skim w naszym Ukła­dzie Sło­necz­nym, na któ­re­go powierzch­ni ist­nie­ją płyn­ne sub­stan­cje. Nie jest to jed­nak woda, lecz płyn­ne węglo­wo­do­ry – głów­nie metan, zmie­sza­ny z eta­nem i ace­ty­le­nem. Poma­rań­czo­we zabar­wie­nie atmos­fe­ry jest wywo­ła­ne jej skła­dem che­micz­nym – głów­nie azo­tem z domiesz­ką meta­nu i eta­nu. To typo­wy księ­życ lodo­wy.

Z powierzch­ni Zie­mi nawet naj­lep­sze tele­sko­py nie pozwa­la­ją prze­nik­nąć przez, gęściej­szą nawet od ziem­skiej, tyta­no­wą atmos­fe­rę. Nie zdo­ła­ły tego uczy­nić tak­że instru­men­ty badaw­cze sond Pio­ne­er i Voy­ager – były nie­ste­ty za dale­ko. Dopie­ro obser­wa­cje Tele­sko­pu Kosmicz­ne­go Hubble’a uka­za­ły pierw­sze, nie­wy­raź­ne zary­sy lądów księ­ży­ca.

Sytu­acja zmie­ni­ła się rady­kal­nie w 2004 roku, gdy ame­ry­kań­ska son­da Cas­si­ni z lądow­ni­kiem Huy­gens roz­po­czę­ła dokład­ne bada­nia Satur­na, a tak­że jego księ­ży­ców. Od tego cza­su Cas­si­ni prze­le­cia­ła w pobli­żu Tyta­na już ponad 100 razy i zba­da­ła go naj­do­kład­niej, jak obec­nie jest to moż­li­we 1Misja zakoń­czy­ła się 15 wrze­śnia 2017 roku o 10:32 UTC. Son­da Cas­si­ni ule­gła znisz­cze­niu pod­czas wtar­gnię­cia w atmos­fe­rę Satur­na. Tę fazę nazwa­no „Grand Fina­le” („Wiel­ki Finał”) i rze­czy­wi­ście, było to bar­dzo uro­czy­ste poże­gna­nie..

Zie­mia jako bia­ło-błę­kit­na krop­ka pod pier­ście­nia­mi Satur­na (na dole, po pra­wej) – zdję­cie wyko­na­ła Son­da Cas­si­ni 19 lip­ca 2013 r.

Zagadka 1. Tytanowy subocean

Wcze­śniej podej­rze­wa­no, że wewnątrz księ­ży­ca, pod całą jego powierzch­nią może znaj­do­wać się oce­an wod­ny. Teraz wia­do­mo już, że ten oce­an tam jest. Nie­daw­no w cza­so­pi­śmie „Scien­ce” uka­zał się arty­kuł oma­wia­ją­cy wyni­ki obser­wa­cji poczy­nio­nych za pomo­cą son­dy Cas­si­ni.

Tytan okrą­ża Satur­na co 16 dni po lek­ko elip­tycz­nej orbi­cie i pod­le­ga sil­nym pły­wom powo­do­wa­nym przez ogrom­ną gra­wi­ta­cję pla­ne­ty. Pły­wy te wywo­łu­ją na jego powierzch­ni wybrzu­sze­nia mie­rzą­ce nawet do 10 m wyso­ko­ści. Gdy­by Tytan skła­dał się wewnątrz w cało­ści z lodu (lub innej sta­łej mate­rii), zmia­ny pły­wo­we nie mogły­by być tak duże. Księ­życ – zasta­na­wia­li się bada­cze – musi mieć w sobie spo­ro płyn­nej sub­stan­cji, naj­pew­niej wody, ale jak to potwier­dzić? Wysła­nie prób­ni­ków, któ­re mia­ły­by to zba­dać na miej­scu, było­by obec­nie zada­niem arcy­trud­nym, zwa­żyw­szy, że prób­nik Huy­gens, jedy­ny, jaki uda­ło się na księ­życ zrzu­cić (w 2005 roku), pra­co­wał na jego powierzch­ni nie­wie­le ponad godzi­nę.

Im sil­niej­sze są te pły­wy – co zale­ży od poło­że­nia Tyta­na na orbi­cie wokół Satur­na – tym sil­niej­szym defor­ma­cjom pod­le­ga­ją tak­że wewnętrz­ne czę­ści księ­ży­ca, a to obja­wia się zabu­rze­nia­mi w jego wła­snym polu gra­wi­ta­cyj­nym. Zabu­rze­nia te moż­na reje­stro­wać, ponie­waż wywo­łu­ją one nie­wiel­kie zmia­ny pręd­ko­ści orbi­tal­nej Tyta­na. Pod­czas sze­ściu bli­skich prze­lo­tów son­dy Cas­si­ni nad księ­ży­cem, w latach 2006–2011, zespo­ły astro­no­mów z Włoch i z USA śle­dzi­ły skru­pu­lat­nie te zmia­ny. Z ana­li­zy danych bada­cze wywnio­sko­wa­li nie­za­leż­nie, że zacho­wa­nie Tyta­na da się wytłu­ma­czyć, jeśli ma na głę­bo­ko­ści ok. 100 kilo­me­trów pod zewnętrz­ną powło­ką lodo­wą ogrom­ny oce­an. War­stwa wody liczy kil­ka­set kilo­me­trów, a nad nią i pod nią wewnątrz glo­bu zale­ga­ją war­stwy lodu róż­nią­ce się gęsto­ścią. Tym samym Tytan dołą­cza wła­śnie do klu­bu księ­ży­ców Ukła­du Sło­necz­ne­go – Gani­me­de­sa, Euro­py i Cal­li­sto, któ­re pod swo­imi lodo­wy­mi sko­ru­pa­mi mają oce­any wod­ne.

Zagadka 2. Wielkie zimowe zawirowanie

Pory roku na Tyta­nie, mie­rzo­ne ziem­skim cza­sem, trwa­ją lata­mi. Wyni­ka to z fak­tu, że Saturn – i jego księ­ży­ce – okrą­ża­ją Słoń­ce pra­wie co 11 tysię­cy dni. Tyle trze­ba cza­su Tyta­no­wi, by zre­ali­zo­wał cały cykl rocz­ny. Kie­dy son­da Cas­si­ni przy­by­ła w oko­li­ce Satur­na w 2004 r., na Tyta­nie pano­wa­ła zima na pół­ku­li pół­noc­nej. I choć tonę­ła ona w mro­ku, przy­rzą­dy son­dy zaob­ser­wo­wa­ły potęż­ną kon­cen­tra­cję aero­zo­li atmos­fe­rycz­nych, roz­ta­cza­ją­cą się wyso­ko nad bie­gu­nem pół­noc­nym. Aero­zol miał kształt cza­py, skła­da­ją­cej się ze związ­ków orga­nicz­nych, w któ­rych wykry­to węgiel, wodór i azot. Cza­pa ta utrzy­my­wa­ła się potem przez wie­le lat. Zmia­ny zaczę­ły nastę­po­wać w sierp­niu 2009 r. Na pół­no­cy nasta­ła wio­sna. Od tam­tej pory naukow­cy moni­to­ro­wa­li atmos­fe­rę Tyta­na szcze­gól­nie nad bie­gu­nem połu­dnio­wym, sądząc, że nadej­ście zimy na połu­dnio­wej pół­ku­li wywo­ła podob­ny efekt. I nie myli­li się.

W maju 2012 roku taka cza­pa róż­no­ko­lo­ro­wych mgieł i chmur, się­ga­ją­ca 300 km wyso­ko­ści, poja­wi­ła się nad bie­gu­nem połu­dnio­wym. Na wie­le lat nasta­ła zima na pół­ku­li połu­dnio­wej. Teraz wiel­kie obsza­ry połu­dnia Tyta­na spo­wi­ja ciem­ność. „Struk­tu­ra ta przy­po­mi­na nie­co tzw. otwar­te komór­ki kon­wek­cyj­ne obser­wo­wa­ne na Zie­mi nad oce­ana­mi” – mówi Tony del Genio, czło­nek zespo­łu Cas­si­ni z NASA Godard Insti­tu­te for Spa­ce Stu­dies (kon­takt). „Jed­nak na naszej pla­ne­cie tego typu ukła­dy powsta­ją tuż nad powierzch­nią, nato­miast struk­tu­ra na Tyta­nie znaj­du­je się bar­dzo wyso­ko, być może w odpo­wied­ni­ku tyta­no­wej stra­tos­fe­ry”.

Mie­siąc póź­niej, 27 czerw­ca, uda­ło się wyko­nać bar­dzo dokład­ne zdję­cia tej cza­py. Odkry­to w niej potęż­ny wir. Ponie­waż jed­nak przy­rzą­dy Cas­si­nie­go nie widzą cało­ści, a zwłasz­cza przy­po­wierzch­nio­wych warstw kon­cen­tra­cji, nie­zwy­kle trud­no jest wyja­śnić mecha­nizm jej powsta­wa­nia oraz roz­wi­kłać zagad­kę, dla­cze­go jest tak duża.