Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил неизвестное вещество на поверхности Титана и Плутона

Космический телескоп Джеймс Уэбб (JWST) обнаружил неизвестную полосу поглощения света на поверхности Титана — крупнейшего спутника Сатурна — и карликовой планеты Плутон. По мнению исследователей, этот сигнал может свидетельствовать о наличии неизвестных органических соединений, образующихся на поверхности обоих небесных тел.

Несмотря на то что оба мира обладают атмосферами, в которых преобладают азот и метан, условия на их поверхности существенно различаются.

Изучение поверхности Титана долгое время оставалось сложной задачей. Его плотная атмосфера с давлением около 1,5 бара почти полностью скрывает поверхность от наблюдений, поскольку солнечный свет проходит через многочисленные слои газа и аэрозольной дымки, которые рассеивают и поглощают излучение. Именно поэтому химический состав твёрдой поверхности спутника до сих пор остаётся недостаточно изученным.

Учёные воспользовались высокой чувствительностью и широким спектральным диапазоном телескопа JWST, исследовав участок спектра от 4,9 до 5,4 микрометра. Этот диапазон считается наиболее подходящим для изучения поверхности Титана, поскольку влияние атмосферной дымки здесь минимально.

При анализе данных, полученных приборами NIRSpec и MIRI, исследовательская группа под руководством Б. Безара обнаружила неожиданную особенность — полосу поглощения света с максимумом на длине волны 5,113 микрометра. На поверхности Титана её глубина составляет около 6–7%.

Особый интерес вызвало то, что эта полоса не совпадает со спектральными характеристиками ни одного из известных веществ, присутствующих в атмосфере Титана. Исследователи сравнили наблюдения с моделями переноса излучения, учитывающими все известные газы и частицы аэрозолей, однако обнаруженный сигнал не удалось воспроизвести.

Чтобы убедиться, что источник сигнала находится именно на поверхности, а не в атмосфере, учёные сравнили спектры центральной части диска Титана и его краевых областей. Если бы поглощение создавалось атмосферой, оно должно было бы усиливаться у края диска, где свет проходит через более толстый слой газа. Однако наблюдения показали противоположный результат: сигнал оказался слабее именно по краям, что указывает на его поверхностное происхождение.

Затем исследователи проанализировали аналогичные данные JWST для Плутона, полученные в мае 2023 года. К своему удивлению, они обнаружили ту же самую полосу поглощения на длине волны 5,113 микрометра. При этом глубина сигнала составила около 4–5%, однако сама полоса оказалась примерно в три раза шире, чем на Титане.

По мнению авторов работы, если за этот сигнал отвечает одно и то же химическое соединение, различия в ширине спектральной полосы могут быть связаны с особенностями физического состояния вещества на поверхности двух миров.

Учёные проверили многочисленные возможные кандидаты, включая льды этана, этилена, ацетилена, пропана, бензола, цианистого водорода и других соединений, уже известных по наблюдениям атмосфер Титана и Плутона. Однако ни одно из них не демонстрирует спектральную линию, совпадающую с обнаруженной полосой.

Наиболее вероятными кандидатами пока считаются аллены — класс органических соединений, некоторые смеси бензола с другими веществами, кетен, а также соединения, возникающие при облучении метанольного льда. Однако имеющихся данных пока недостаточно, чтобы уверенно определить природу обнаруженного вещества.

Исследователи считают, что более широкая полоса поглощения на Плутоне может объясняться не температурой поверхности, а воздействием космических лучей. Атмосфера Плутона значительно тоньше, чем у Титана, поэтому высокоэнергетические частицы способны проникать в поверхностные слои льда на глубину от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Такое облучение разрушает химические связи, способствует образованию новых соединений и изменяет молекулярную структуру вещества, что может приводить к расширению спектральных линий.

Авторы подчёркивают, что обнаружение одной и той же полосы поглощения на Титане и Плутоне указывает на существование общего химического процесса, происходящего на поверхности этих небесных тел, несмотря на существенные различия условий окружающей среды.

Для окончательной идентификации вещества необходимы дополнительные лабораторные исследования. Кроме того, учёные планируют построить подробную карту распределения этой полосы поглощения по всей поверхности Титана с использованием новых данных JWST.

Дополнительную информацию о составе поверхности Титана должна предоставить миссия Dragonfly, которая прибудет к спутнику Сатурна в середине 2030-х годов. Установленный на аппарате масс-спектрометр DraMS сможет определить состав многих органических соединений, хотя отсутствие инфракрасного спектрометра не позволит непосредственно зарегистрировать саму обнаруженную спектральную особенность.

Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.