Неизвестный сигнал в данных JWST: что общего у поверхности Титана и карликовой планеты Плутон?

Международная группа ученых, работающих с данными космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST), обнаружила ранее неизвестную полосу поглощения на длине волны 5,11 микрометра в спектрах сразу двух тел Солнечной системы — спутника Сатурна Титана и карликовой планеты Плутона. Эта загадочная спектральная линия, проявившаяся в данных сразу двух приборов JWST (NIRSpec и MIRI), не имеет аналогов ни в одном из известных лабораторных спектров атомов и молекул. Результаты исследования, указывающие на возможный общий химический процесс на поверхности двух ледяных миров, были опубликованы на сервере препринтов arXiv и вызвали оживленные дискуссии в научном сообществе, поскольку ставят перед планетологами новую интригующую загадку.

Титан и Плутон — это два небесных тела, которые на первый взгляд кажутся полными противоположностями. Первый является крупнейшим спутником Сатурна, обладающим плотной атмосферой и настоящими морями жидких углеводородов на поверхности, а второй это крошечная замерзшая карликовая планета на окраине Солнечной системы, чей диаметр вдвое меньше, а температура значительно ниже.

Однако при ближайшем рассмотрении их объединяет удивительное сходство: оба этих мира окутаны азотной атмосферой с примесью метана, и под действием жесткого ультрафиолетового излучения в их воздушных оболочках происходят сложные фотохимические реакции, порождающие характерные дымки. Именно эта общая химическая «кухня» и привлекла внимание исследователей, которые решили сравнить инфракрасные спектры обоих объектов, полученные с помощью самого мощного современного телескопа.

Тонкость работы заключалась в том, что условия наблюдения этих двух миров кардинально различаются из-за плотности их атмосфер. На Титане густая и непрозрачная дымка долгое время мешала ученым «заглянуть» вглубь, к поверхности, скрывая ее истинный минералогический и химический состав. Предыдущие миссии, такие как «Кассини-Гюйгенс», дали богатую информацию о рельефе: реках, дюнах и озерах, но точный состав поверхности оставался предметом догадок, за исключением отдельных намеков на водяной лед. В противоположность этому, разреженная атмосфера Плутона практически прозрачна для инфракрасных лучей, что позволяет относительно легко изучать его поверхностные отложения. И именно это различие помогло ученым сделать ключевое предположение о происхождении новой линии.

Пристально изучив данные JWST, команда ученых сконцентрировалась на узком участке спектра в так называемом «атмосферном окне» в диапазоне от 4,9 до 5,4 микрометра, где свет легче проходит сквозь газовые оболочки. В этом диапазоне они с удивлением обнаружили четкий провал интенсивности —  полосу поглощения на длине волны 5,11 микрометра. И что еще более поразительно, эта же черта проявилась и в данных с Плутона, причем позиция линии практически совпадала, хотя на Плутоне она оказалась примерно втрое шире. Этот факт стал серьезным аргументом против случайной ошибки или инструментального артефакта, ведь сигнал был зафиксирован двумя разными приборами на двух совершенно разных объектах.

Попытка идентифицировать загадочную линию поставила исследователей в тупик. Они скрупулезно перебрали все известные базы данных лабораторных спектров, изучили публикации по спектроскопии льдов и органических соединений, но не нашли ни одного совпадения для длины волны 5,11 микрометров в чистом виде. Ни одна из известных молекулярных сигнатур не ложилась точно на эту позицию. Это открытие означает, что перед исследователями предстало неизвестное вещество или, что более вероятно, неизвестная комбинация веществ в особом физическом состоянии. Однако ученые не спешат отчаиваться: они предполагают, что положение линии может смещаться под влиянием среды, то есть взаимодействия с соседними молекулами в плотной ледяной матрице или в сложном органическом аэрозоле.

Среди наиболее вероятных кандидатов на роль источника поглощения исследователи рассматривают такие соединения, как лед ацетилена (C₂H₂) или бензол, но только в том случае, если они находятся в смеси с другими компонентами, а не в чистом виде. Именно эффект молекулярного окружения способен сдвинуть характерные частоты колебаний атомов до наблюдаемых значений. Чтобы подтвердить эту гипотезу, требуются новые, более тонкие лабораторные эксперименты, в которых эти вещества будут изучаться в смесях, максимально приближенных по составу к условиям Титана и Плутона, с учетом низких температур и воздействия радиационных потоков.

Важнейшим выводом работы стало доказательство того, что линия поглощения рождается именно на поверхности, а не в атмосфере этих миров. Компьютерное моделирование атмосферы Титана отлично воспроизвело все остальные известные спектральные особенности, но не дало никакого провала на отметке 5,11 микрометров. Следовательно, загадочное вещество является компонентом поверхностного покрова или тонкого приповерхностного слоя. Это открытие делает дальнейшие наблюдения еще более захватывающими, поскольку оно напрямую связывает недра или поверхностную кору обоих тел с их общей атмосферной химией. Взаимодействие солнечного излучения с азотно-метановой средой, вероятно, инициирует каскад реакций, итогом которых становится синтез этого таинственного соединения, которое затем оседает на поверхность.

В перспективе ученые намерены провести дополнительные сеансы наблюдений с помощью JWST, чтобы изучить распределение этой аномалии на поверхности Титана, если линия будет сильнее в определенных географических районах, это поможет сузить круг поисков. Кроме того, назрела острая необходимость в новых лабораторных измерениях спектров предполагаемых молекул в реалистичных смесях и матрицах, имитирующих условия этих ледяных миров.

И хотя в середине 2030-х годов к Титану должен прилететь аппарат NASA Dragonfly, его инфракрасная спектроскопия не сможет напрямую подтвердить наличие этой конкретной линии на месте, поэтому разгадку, скорее всего, придется искать на Земле, в тиши лабораторий, сравнивая теории с приходящими из космоса данными.

Таким образом, итогом этого исследования стало не столько раскрытие тайны, сколько ее четкое формулирование. Астрономы впервые зафиксировали универсальный спектральный признак, общий для двух столь разных миров, и доказали, что его источник скрыт на их твердых поверхностях. Несмотря на то, что конкретное вещество пока не идентифицировано, само существование этой линии указывает на существование неизвестного доселе химического пути, связывающего атмосферные процессы и геологию ледяных планетных тел. Дальнейшая работа, требующая совместных усилий астрономов, химиков и планетологов, обещает не только дать имя этому таинственному поглощению, но и пролить свет на сложную органическую химию, которая может быть типичной для многих холодных миров за пределами Земли.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях