Международная команда ученых, специализирующихся на изучении планет, зафиксировала идентичную ранее не встречавшуюся характеристику в спектральном анализе поверхностей Титана и Плутона – это поглощение света при длине волны 5,11 микрометра. Изучение данных, полученных космическим телескопом «Джеймс Уэбб», выявило, что данный сигнал исходит не из атмосферы, а непосредственно с поверхности этих двух небесных тел. Тем не менее, ни одно известное вещество пока не может полностью объяснить наблюдаемый спектр.

Спектральные линии служат своеобразными «химическими паспортами»: различные соединения по-разному взаимодействуют со светом – либо поглощают его, либо излучают. Благодаря этим особенностям ученые могут определять химический состав удаленных объектов. Если зафиксированная линия не соответствует ни одному известному веществу, это может свидетельствовать об открытии ранее неизвестного материала или о необычной структуре уже известных молекул.

Необычная полоса поглощения была выявлена при анализе данных наблюдений Титана – самого крупного спутника Сатурна – и Плутона, карликовой планеты в отдаленных областях Солнечной системы. Несмотря на значительные внешние различия, эти объекты обладают схожими химическими условиями: их атмосферы состоят преимущественно из азота с заметным содержанием метана. Под воздействием солнечного света в этих атмосферах формируются сложные органические частицы – аэрозоли, которые создают глобальную дымку и постепенно оседают на поверхность.

До запуска «Джеймса Уэбба» исследование поверхности Титана представляло собой сложную задачу. Густая атмосфера спутника и органическая дымка затрудняли наблюдение большей части его территории, а прибор VIMS на аппарате Cassini не имел достаточной чувствительности и детализации в области около 5 мкм. «Джеймс Уэбб» впервые предоставил возможность детального изучения этого диапазона длин волн.

Информация была собрана с использованием двух приборов телескопа — NIRSpec и MIRI. Автономно они зарегистрировали абсорбцию в спектре, пик которой приходится на длину волны приблизительно 5,113 мкм (1956 см ^-1), что практически исключает возможность появления этого явления из-за ошибки при наблюдении. Величина поглощения составила примерно от 6 до 7% для Титана и около 4,5% для Плутона.

Исследователи выяснили, могла ли эта линия возникнуть в атмосфере Титана. Компьютерное моделирование распространения света с учетом состава атмосферы, включающего метан, монооксид углерода, этан и ацетилен, наряду с частицами дымки, не позволило имитировать зарегистрированную особенность. Более детальный анализ выявил снижение интенсивности сигнала от центра диска Титана к его границам – это свойственно веществам, находящимся на поверхности; в то время как атмосферная дымка должна была бы проявляться сильнее у края из-за увеличения расстояния, которое свет проходит через нее.

На Плутоне, где атмосфера значительно менее плотная — примерно в сотни тысяч раз – обнаружение аналогичной полосы послужило еще одним доказательством ее происхождения с поверхности. При этом ширина линии на Плутоне оказалась приблизительно в три раза больше, чем на Титане. Ученые объясняют это различия различными физическими свойствами вещества, химическим окружением молекул и воздействием радиации: поверхность Плутона подвергается более интенсивному потоку высокоэнергетических частиц, которые способны изменять структуру льда и формировать сложные органические соединения.

На данный момент установить точный химический состав не представляется возможным. Специалисты сопоставили полученные данные с лабораторными спектрами различных известных льдов и органических молекул, однако полного соответствия выявлено не было. В качестве наиболее вероятных гипотез рассматриваются аллены – классы органических соединений, характеризующихся чередованием двойных углерод-углеродных связей (C=C=C). Также предполагается возможность наличия смесей, включающих бензол и кетен, но для окончательного определения требуются дополнительные сведения.

Значимость открытия заключается не только в регистрации новой линии спектра, но и в том факте, что аналогичная химическая «подпись» была зафиксирована одновременно на двух небесных телах с азотно-метановым окружением. Это позволяет предположить наличие общих закономерностей в химических реакциях, протекающих на ледяных объектах дальних районов Солнечной системы, несмотря на существенные различия в температуре, давлении и расстоянии от светила.

Приобретенные данные послужат основой для дальнейших исследований Титана. В середине 2030-х годов NASA намерен осуществить миссию Dragonfly к этому спутнику – автономный аппарат, предназначенный для изучения поверхности и анализа химического состава органических соединений при помощи масс-спектрометра DraMS. Новая спектральная особенность определяет конкретную задачу: исследователям предстоит определить молекулу, ответственную за этот неизвестный след на обоих объектах.