Два очень разных мира Солнечной системы неожиданно подкинули ученым одну и ту же загадку.
Один из них — Титан, спутник Сатурна. У него есть кора из водяного льда, озера из жидкого метана и этана, а также плотная мутная атмосфера. Другой — Плутон, далекий ледяной мир, который находится в среднем в четыре раза дальше от Солнца, чем Сатурн.
На первый взгляд это совершенно разные места. Но у них есть важное сходство: оба богаты азотом и углеводородами. У обоих есть атмосфера, где под действием солнечного света идет химия, создающая дымку. И теперь космический телескоп JWST обнаружил на обоих мирах одну и ту же химическую подпись, которую ученые пока не могут уверенно объяснить.
Команда под руководством астронома Брюно Безара из Французского национального центра научных исследований назвала несколько возможных кандидатов. Но точного ответа пока нет. Работа принята к публикации в Astronomy & Astrophysics и доступна на сервере препринтов arXiv.
Титан давно интересует ученых. Его открыл Христиан Гюйгенс еще в 1655 году, но поверхность спутника долго оставалась скрытой под плотной атмосферной дымкой. Метан в его спектре обнаружил Джерард Койпер в 1944 году.
Позже зонд Cassini помог узнать о Титане намного больше. Благодаря ему ученые получили данные об озерах, дюнах, горах и тектонических особенностях этого спутника. Но химический состав поверхности Титана до сих пор изучать трудно.
А это особенно важно, потому что Титан похож на огромную природную лабораторию для изучения пребиотической химии — условий, которые предшествуют жизни. У него есть азотная атмосфера, метан, солнечный свет, энергичные частицы, дожди, реки, озера и смена сезонов. Все это вместе создает множество углеродных соединений.
Поэтому каждое новое открытие на Титане показывает, какая сложная органическая химия может возникать даже без жизни.
JWST отлично подходит для таких наблюдений, потому что работает в инфракрасном диапазоне и может заглядывать сквозь облака и дымку. Ученые использовали его для изучения климата, состава и облаков Титана. Но когда они получили спектры, то увидели странную особенность поглощения, которую не смогли опознать.
Еще интереснее то, что этот сигнал появился в данных сразу двух разных инструментов JWST. Поэтому простая ошибка прибора выглядит маловероятной.
Когда телескоп изучает объект, он записывает свет на разных инфракрасных длинах волн. Атомы и молекулы взаимодействуют со светом по-своему: они могут поглощать его на определенных длинах волн и иногда переизлучать на других. Если в спектре появляется темная линия, это значит, что что-то поглотило свет на этой длине волны.
У каждого атома или молекулы есть свой рисунок таких линий — своеобразный спектральный отпечаток. По нему ученые обычно и понимают, какое вещество перед ними.
Но в случае Титана найденная особенность не совпала с известными веществами достаточно хорошо. Это может означать, что на поверхности Титана есть молекула или материал, который пока не удалось определить.
Затем загадка стала еще страннее.
В рамках другой программы JWST наблюдал Плутон. И там обнаружилась та же самая особенность поглощения. Только на Плутоне она оказалась сильнее и заметнее, чем на Титане.
Это стало неожиданностью. Титан и Плутон похожи тем, что у них есть химия, связанная с азотом и метаном. Но они сильно отличаются температурой, давлением и геологией. И все же оба мира, похоже, несут один и тот же неизвестный химический отпечаток.
Что именно создает этот сигнал, пока неясно. Он сильный, устойчивый и ведет себя так, будто исходит с поверхности обоих миров, а не из их атмосферы.
Ученые сравнили его с десятками соединений, но ни одно не подошло убедительно. Чистый бензол, пропадиен, кетен и ацетилен похожи на возможные варианты, но каждый из них отличается достаточно сильно, чтобы нельзя было назвать точный ответ.
Есть и другая возможность: сигнал может создавать уже известное вещество, но в непривычных условиях. Если молекула смешана с другими химическими соединениями или находится в другой физической форме, она может поглощать инфракрасный свет немного иначе, чем в лабораторных экспериментах.
Сам факт, что один и тот же след найден и на Титане, и на Плутоне, может быть ключом. Возможно, это не случайная странность одного необычного спутника, а признак химии, общей для холодных миров, богатых азотом и метаном.
Будущие наблюдения могут помочь сузить круг вариантов. Например, если ученые составят карту того, где именно этот сигнал появляется на поверхности Титана. А когда в середине 2030-х годов к Титану прибудет миссия NASA Dragonfly, ее масс-спектрометр сможет изучить некоторые возможные соединения гораздо ближе.
Пока же загадка остается нерешенной. В инфракрасном свете далеких миров виден слабый след, который намекает: в Солнечной системе может быть намного больше тонкой и сложной химии, чем мы пока понимаем.
