Космический телескоп Джеймс Уэбб (JWST) зафиксировал ранее не зарегистрированную область ослабления света на поверхности Титана, самого большого спутника Сатурна, и карликовой планеты Плутон. Специалисты полагают, что этот феномен может указывать на присутствие новых органических веществ, формирующихся в верхних слоях обоих космических объектов.

Хотя оба небесных тела имеют атмосферу, состоящую преимущественно из азота и метана, их поверхностные условия значительно отличаются друг от друга.

Исследование поверхности Титана на протяжении длительного времени представляло собой непростую задачу. Его густая атмосфера с давлением приблизительно 1,5 бара практически полностью скрывает рельеф от наблюдений из-за многочисленных слоёв газа и аэрозольной завесы, которые рассеивают и поглощают свет. В связи с этим химический состав твёрдой оболочки спутника остаётся недостаточно ясным.

Исследователи применили высокую разрешающую способность и широкий диапазон спектральных длин волн телескопа JWST, проанализировав участок в диапазоне от 4,9 до 5,4 микрометра. Этот интервал считается оптимальным для анализа поверхности Титана, поскольку воздействие атмосферной дымки здесь минимально.

В ходе изучения информации, собранной приборами NIRSpec и MIRI, команда ученых под руководством Б. Безара выявила нетипичное явление – линию поглощения света с пиком на длине волны 5,113 микрометра. Интенсивность этой линии на поверхности Титана достигает примерно 6–7%.

Привлекло внимание то, что данная линия не соответствует спектральным свойствам известных соединений, присутствующих в атмосфере этого спутника Сатурна. Специалисты сопоставили полученные данные с расчетами переноса излучения, принимая во внимание все известные газы и частицы аэрозолей, но воспроизвести зарегистрированный сигнал не удалось.

Для подтверждения того, что источник сигнала расположен на поверхности небесного тела, а не в его атмосфере, ученые провели сравнение спектров центральной области видимой стороны Титана и прилегающих к ней регионов. В случае если поглощение вызывалось бы атмосферными явлениями, оно должно было бы усиливаться у края диска, поскольку свет проходил через более толстый слой газовой оболочки. Однако наблюдения продемонстрировали обратную картину: интенсивность сигнала была ниже именно в периферических областях, что свидетельствует о его происхождении с поверхности.

В дальнейшем исследователи рассмотрели схожие данные, полученные телескопом JWST для Плутона в мае 2023 года. К их удивлению, им удалось зафиксировать ту же самую линию поглощения на длине волны 5,113 микрометра. При этом глубина сигнала составила приблизительно 4–5%, а ширина полосы оказалась примерно в три раза больше, чем у Титана.

Авторы научной работы полагают, что если один и тот же химический компонент ответственен за данный сигнал, то различия в ширине наблюдаемых полос могут указывать на различные физические состояния вещества на поверхностях двух планет.

Специалисты рассмотрели большое количество потенциальных вариантов, среди которых были упомянуты лед этана, этилена, ацетилена, пропана, бензола, цианистый водород и другие соединения, ранее зафиксированные в атмосферах Титана и Плутона. Тем не менее, ни одно из них не соответствует обнаруженной спектральной линии.

На текущем этапе наиболее перспективными представляются аллены – группа органических молекул, определённые комбинации бензола с другими компонентами, кетен, а также соединения, образующиеся при воздействии излучения на метановый лёд. Но имеющейся информации пока недостаточно для точного определения состава обнаруженного вещества.

Учёные предполагают, что более широкая полоса поглощения, зарегистрированная на Плутоне, может быть связана не с температурой поверхности, а с воздействием космического излучения. Атмосфера этой планеты значительно разреженнее атмосферы Титана, поэтому высокоэнергетические частицы способны проникать в верхние слои ледяного покрова на глубину от нескольких сантиметров до метра. Данный процесс разрушает химические связи, стимулирует образование новых соединений и модифицирует молекулярную структуру вещества, что может вызывать расширение спектральных линий.

Исследователи отмечают, что выявление идентичной линии поглощения как на Титане, так и на Плутоне свидетельствует о наличии единого химического механизма, действующего на поверхности этих планет, невзирая на значительные расхождения в их внешних условиях.

Для точного определения природы вещества требуются дальнейшие лабораторные анализы. Помимо этого, специалисты намерены составить детальную схему расположения данной линии поглощения по всей площади поверхности Титана, опираясь на свежие данные, полученные с телескопа Джеймса Уэбба.

Более подробную информацию о химическом составе поверхности Титана предоставит миссия Dragonfly, запланированная к прибытию к спутнику Сатурна в середине 2030-х годов. Масс-спектрометр DraMS, установленный на борту аппарата, позволит установить состав множества органических молекул, хотя отсутствие инфракрасного спектрографа не даст возможности напрямую зафиксировать выявленную аномалию.

Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.