Co migocze na Tytanie
Uważa się, że po misjach sond Voyager – które już opuściły Układ Słoneczny (Voyager 1 – 13 lat temu, Voyager 2 – 7 lat temu) i lecą w głąb naszej galaktyki – najbardziej udaną wyprawą w historii badań kosmosu była misja Cassini-Huygens: wspólne ogromne przedsięwzięcie dwóch największych agencji kosmicznych, czyli amerykańskiej NASA i europejskiej ESA. Ta misja była też najbardziej zaawansowana technicznie. Dech w piersiach zapiera ogrom odkryć, których Cassini dokonał podczas 13 lat swojej wyprawy do Saturna i jego księżyców, zwłaszcza do największego z nich – Tytana, a także nawigacyjny majstersztyk eksploracji całego układu, składającego się z ogromnego Saturna, jego 274 udokumentowanych księżyców i 9–10 pierścieni. Lawirowanie między księżycami, przenikanie między pierścieniami, a w końcu – przed samym finałem – przelot między najbliższym pierścieniem i atmosferyczną powierzchnią Saturna… To naprawdę był prawdziwy kosmiczny wyczyn. Nie ma i pewnie długo nie będzie żadnego filmu SF, który zbliżyłby się do ukazania tego, co sonda Cassini- Huygens zrobiła i czego doświadczała podczas swojej misji. I co zobaczyła.
Bogactwo informacji
Sonda rozpoczęła pracę w układzie Saturna w 2004 r., a zakończyła w 2017, samobójczo nurkując w przepastne gazowe warstwy planety. Ta wyprawa zasłynęła też tym, że zrzuciła w styczniu 2005 r. na Tytana (największy księżyc Saturna, rozmiarami przewyższający Merkurego) próbnik Huygens, który bezpiecznie osiadł na jego powierzchni i rozpoczął badania – np. zrobił zdjęcia powierzchni i wykonał wstępne pomiary atmosferyczne. Potem niestety dość szybko zamarzł, ale przy ponad –200ºC to nie dziwi… Był to jednak absolutny rekord w dostarczeniu na odległe ciało kosmiczne urządzenia stworzonego przez człowieka. Tytan znajduje się 1,5 mld km od Ziemi! Tylko kilka naszych misji w ogóle w historii doleciało na taką odległość, ale przede wszystkim nikt nigdy nie wysłał tak daleko lądującego z powodzeniem próbnika na ciało niebieskie Układu Słonecznego. I raczej szybko nikt nie wyśle. To była pod wieloma względami misja absolutnie przełomowa.
Sonda Cassini-Huygens przesłała na Ziemię największą w historii podboju kosmosu ilość danych z Układu Słonecznego: zdjęć, filmów, mapowań radarowych, pomiarów grawitacyjnych, spektroskopowych, temperaturowych, atmosferycznych i wielu innych. Nie tylko samego Saturna czy jego wielkiego Tytana, lecz również innych księżyców (Enceladusa czy Rei), a także pierścieni. Zapracowała na swoją sławę, i to z nawiązką. To w pewnym momencie zdumiało nawet ludzi odpowiedzialnych za przebieg misji: pozyskano podczas niej tyle danych, że są bez przerwy analizowane do dzisiaj i jeszcze bardzo dużo pozostało do sprawdzenia. Co rok lub nawet co pół roku dowiadujemy się, że Cassini-Huygens dokonał niezwykle ważnego odkrycia albo zaobserwował zjawisko, o którego istnieniu nie mieliśmy wcześniej bladego pojęcia.
Metanowe rzeki, jeziora i morza
Tytan jest jedynym poza Ziemią w Układzie Słonecznym ciałem, na którego powierzchni występują substancje w stanie płynnym; to oczywiście nie woda jak na naszej planecie, lecz węglowodory: metan (głównie) i etan. Przypuszcza się, że tak jak woda ziemska podlega ciągłemu obiegowi w cyklu hydrologicznym, tak i metan przechodzi podobne przemiany. Zależą one od pór roku i ilości ciepła przyjmowanego przez Tytana ze Słońca. Na Tytanie następują po sobie pory roku oraz dzień i noc, chociaż mocno różniące się od ziemskich. Tamtejsza doba trwa 16 dni ziemskich, a rok – podzielony na dwie główne pory: letnią i zimową – tyle, co rok na Saturnie, czyli prawie 30 ziemskich lat. Z tym sprzężone są zjawiska atmosferyczne księżyca jak parowanie metanu, burze czy opady atmosferyczne (z tym że atmosfera jest wiele razy gęstsza od ziemskiej). Płynny metan wypełnia rzeki, jeziora i morza.
Metanowe zbiorniki Tytana odkrył w latach 2009–2010 przyrząd Cassiniego o nazwie Visual and Infrared Mapping Spectrometer. Licznie występują one w okolicach biegunowych (gromadzą ponad 90% zasobów powierzchniowych płynnego metanu), ale najwięcej ich stwierdzono przy biegunie północnym (np. Kraken Mare wielkości Morza Kaspijskiego czy nieco mniejsze Ligea Mare i Punga Mare). Kilka mniejszych zbiorników widać też przy biegunie południowym (np. Ontario Lacus o powierzchni 15 tys. km2, czyli większe niż jezioro Śniardwy). W 2010 r. Cassini po raz pierwszy zarejestrował ulewę metanową w pobliżu równika Tytana. Dwa lata później udało się namierzyć długą na 400 km rzekę metanu, która wpada do Kraken Mare na północnym biegunie. Rzeka jest dłuższa niż Tamiza i prawie tak długa jak nasza Narew. Nazwano ją tytanowym Nilem. Przy ujściu tworzy wyraźną deltę.
Dodatkowo Cassini odkrył pod grubą na jakieś 100 km lodowo-skalistą skorupą Tytana wodę pod postacią globalnego oceanu o głębokości 100–200 km. Zauważyły to w latach 2006–2011 niezależnie dwa zespoły naukowców z USA i z Włoch, badając dokładnie wykrywane przez Cassiniego różnice w natężeniu wartości pola grawitacyjnego Tytana i – co za tym idzie – zmiany jego prędkości orbitalnej. Pomocna była w tym też obserwacja wybrzuszeń powierzchni Tytana powstających pod wpływem ruchów pływowych bliskiego Saturna. Wybrzuszenia te dochodzą do 10 m wysokości. Nie byłyby tak duże, gdyby Tytan pod swoją skorupą miał materię stałą, a nie płynną. Wydaje się zatem, że i Saturn, i jego otoczenie są absolutnie wyjątkowe w całym Układzie Słonecznym: to gigantyczna karuzela kosmiczna z olbrzymią planetą gazową w środku, z setkami księżyców i wieloma pierścieniami. Żaden układ planetarno-księżycowy w naszym układzie nie jest tak bogaty, zróżnicowany i dynamiczny. Pomimo że średnia temperatura na Saturnie czy na Tytanie – przypomnijmy – to prawie –200ºC.
Co tam świeci?
W 2009 r., obserwując Tytana z dość bliska, Cassini wykonał jedno z najbardziej niezwykłych w historii zdjęć w kosmosie. Ukazuje ono ciemną powierzchnię księżyca z cienką otoczką światła zachodzącego już Słońca oraz bardzo jasny punkt na samej górze jego północnego bieguna. Dość długo analitycy danych nie potrafili dociec, co to jest. W końcu okazało się, że to promienie Słońca odbijają się od powierzchni płynnego jeziora Jingpo Lacus, które sąsiaduje z ogromnym Kraken Mare. Ten obraz zdumiał badaczy i był często prezentowany zarówno podczas sesji naukowych dotyczących wyprawy Cassiniego, jak i w mediach publicznych. Jezioro wypełnione jest oczywiście płynnym metanem. Przypomnijmy: metan skrapla się dopiero w temperaturze –182ºC.
Ale to nie koniec rewelacji od Cassiniego. Przyrządy zarejestrowały blisko linii brzegowej leżącego na południowym biegunie Ontario Lacus ślady fal oraz nowe obszary zalewowe, prawdopodobnie będące skutkiem obfitych ulew metanu. Późniejsze badania wykazały, że fale te mogą być nawet siedem razy wyższe i dłuższe niż na podobnym rozmiarowo, ale wodnym zbiorniku na Ziemi – to ze względu na wysoką lepkość skroplonego metanu i etanu. Tak naprawdę więc na jeziorze tym właściwie można by nawet surfować, gdybyśmy oczywiście mieli sprzęt i ubranie wytrzymujące ekstremalnie niskie temperatury i właściwości metanowo -etanowej płynnej mieszaniny. Ale generalnie: wieje tam i faluje, co zdumiało badaczy misji. Ontario Lacus także wyraźnie się zmniejsza i powiększa sezonowo, co świadczy o parowaniu metanu latem i braku tego procesu zimą.
Kolejne nowości z Tytana
Ostatecznych – i już raczej pewnych – dowodów na to, że morza i jeziora na Tytanie mogą falować (w rzeczy samej nawet się burzą), dostarczyli badacze planet i księżyców z University of Utah w USA. Wykonali badania optyczne lśnienia płynnych zbiorników saturnowego księżyca. Artykuł planetologów Michaela Heslara i Jasona Barnesa (University of Idaho), opublikowany w marcu br. w czasopiśmie „The Planetary Science Journal”, prezentuje nowe informacje na temat właściwości mórz i regionów przybrzeżnych Tytana, a w szczególności Punga Mare. Morze to, położone niemal na biegunie północnym Tytana, jest najmniejszym z nazwanych mórz tego księżyca – po Kraken Mare i Ligeia Mare – i wyróżnia się tym, że jest pierwszym miejscem poza Ziemią, gdzie ostatecznie potwierdzono istnienie fal morskich.
Badania dotyczyły obserwacji z 2015 r., z okresu, gdy na Tytanie trwało lato i średnia temperatura powierzchni wynosiła tylko ok. –183ºC. Sonda Cassini obserwowała i fotografowała wówczas ten rejon księżyca przez kilka godzin z wysokości tylko 6 tys. km. Kamery zarejestrowały kilka anomalnie jasnych struktur, zbiorczo nazywanych strukturami zwierciadlanymi, które pojawiały się na Punga Mare, w tym w okolicach jego brzegów. Te obserwacje są zdaniem badaczy z Idaho przykładami tzw. blasku słonecznego i brokatu słonecznego.
Blask słoneczny występuje, gdy światło naszej gwiazdy odbija się od zupełnie gładkiej powierzchni jak od lustra, przy czym kąt jego padania jest równy kątowi widzenia obserwatora. Z kolei brokat słoneczny to inne zjawisko, pojawiające się w przypadku nierówności powierzchni – na zbiornikach Tytana jest skutkiem np. fal lub wpływów sejsmicznych – które inaczej odbijają światło w kierunku obserwatora. Wtedy widzimy zmienny blask. Migotanie to może być częste i drobne albo rzadsze i dłuższe. Innymi słowy, powierzchnia Punga Mare czasami mocno migocze, więc raczej faluje, zmienia się. To widać na uzyskanych przez sondę Cassini obrazach. Ale skąd biorą się te powierzchniowe morskie ruchy czy fale? Z wiatru pojawiającego się nad tytanowym morzem, a może nawet z wichur, które poruszają płynnym metanem w zbiorniku.
Kolejne wyprawy
Znawcy planet i księżyców w Układzie Słonecznym dość szybko uznali, że ten księżyc Saturna jest na tyle fascynujący, że warto za wszelką cenę forsować i wspomagać nową misję, której celem będzie wyłącznie on, czyli Tytan (jego rzeki, jeziora i morza oraz wiele innych niezwykłych miejsc na jego powierzchni). Ta misja nazywa się Dragonfly, czyli Ważka. Jest realizowana przez NASA przy współpracy innych agencji kosmicznych i ma wyruszyć w końcu 2028 lub na początku 2029 r. Do Tytana dotrze w 2033 lub 2034 r. I co będzie badać? Wszystko. Jej koszt to ponad 3 mld dolarów. Sporo, ale raczej warto.
Wehikuł Dragonfly będzie zaawansowanym półtonowym tzw. dualquadcopterem, czyli podwójnym quadcopterem. Zwykły quadcopter to czterowirnikowiec, z kolei w podwójnym wirników jest aż osiem i w każdej parze poruszają się one przeciwbieżnie. To niezwykle zaawansowany dron. Zostanie wyposażony w potężne radioizotopowe ogniwo termoelektryczne nowego typu, tzw. MMRTG (multi-mission radioisotope thermoelectric generator), które może służyć za źródło energii dla urządzeń poruszających się zarówno w próżni kosmicznej, jak i w atmosferach planet lub księżyców. MMRTG jest niewielki, piekielnie wydajny i przede wszystkim długo pracuje – może dostarczać dużo energii potrzebnej do prowadzenia badań oraz komunikacji z Ziemią przez wiele lat. Źródłem energii jest w nim rozpad plutonu-238, który generuje ciepło zamieniane następnie w energię elektryczną. To technologia już od lat stosowana w misjach kosmicznych, a także w niektórych miejscach na Ziemi, ale dzisiaj znacznie udoskonalona.
Ważka wyląduje na polach wydmowych Shangri- La w okolicy równika Tytana, niedaleko miejsca, gdzie zrzucono z orbitera Cassini próbnik Huygens 20 lat temu. Ten szybko zamarzł, ale i tak był to spektakularny sukces ESA, która zbudowała Huygensa. Trzeba też powiedzieć, że plan misji Ważka nabrał rumieńców po ostatnim wielkim sukcesie NASA, a mianowicie wysłaniu na Marsa łazika Perseverance z towarzyszącym mu helikopterkiem Ingenuity, który wspaniale wykonuje wszystkie zadania i lata nad Marsem bez większych problemów. To z pewnością bardzo zachęciło badaczy i inżynierów z Johns Hopkins University, którzy przygotowują misję Dragonfly i będą ją w przyszłości kontrolować. Skoro Ingenuity może bez kłopotu latać nad powierzchnią Marsa – a ten ma atmosferę o gęstości zaledwie 1% ziemskiej – to z pewnością Dragonfly też poleci, zwłaszcza że ciśnienie atmosferyczne Tytana jest 1,5 raza wyższe niż ziemskie. A do tego grawitacja Tytana jest mała (0,138 ziemskiej), więc wszystko sprzyja planom wysłania na ten księżyc nawet dużego urządzenia latającego.
Ma operować przez co najmniej 2,5 roku ziemskiego, oczywiście z możliwością przedłużenia misji. Pokona na księżycu co najmniej 200 km, co – jeśli nastąpi – będzie absolutnym rekordem. Żaden inny obiekt na obcej planecie czy na księżycu, także na naszym, nigdy nie odbył takiej podróży. Najnowocześniejsze łaziki marsjańskie mogą przez cały czas trwania misji przebyć najwyżej 30–40 km. Ważka przeprowadzi wiele samodzielnych ośmio-, dziesięciokilometrowych przelotów. Ale tylko, gdy na Tytanie będzie trwał dzień. Po osiągnięciu wyznaczonego miejsca zajmie się badaniem terenu, pobieraniem próbek, wykonywaniem analiz, dokumentacją w wielu zakresach fal, słowem – robotą naukową. Gdy na Tytanie nastanie noc, przerwie aktywność na czas doładowania wszystkich systemów i instrumentów badawczych. A potem kolejnego dnia podejmie przeloty i pracę. I tak przez co najmniej 2,5 roku ziemskiego. Słowem, zapowiada się niezła kosmiczna jazda w odległości 1,5 mld km od Ziemi. Czego dokona Dragonfly i co odkryje? – to dopiero jest zagadka. Niech tylko poleci.