Когда зонд «Новые Горизонты» впервые разглядел Харон, крупнейший спутник Плутона, ученых озадачило гигантское ржавое пятно на его северном полюсе. Долгие годы эта метка, неофициально прозванная «Мордор», была одной из главных загадкой пояса Койпера. Новое исследование раскрывает шокирующую правду: аномалия является следствием интимной связи между планетой и ее лунным компаньоном, сложным химическим процессом, в котором замешаны солнечный ветер и украденный у Плутона газ.
Долгие десятилетия Плутон был для земных астрономов не более чем размытой точкой света. Даже мощный телескоп «Хаббл» мог разглядеть лишь смутный, мерцающий шарик на окраине Солнечной системы. Все изменилось 14 июля 2015 года, когда межпланетная станция NASA «Новые Горизонты», преодолев более 5 миллиардов километров, совершила исторический пролет мимо этой далекой системы. Мир замер в ожидании первых четких снимков. И они не разочаровали, но и породили новую, огненную загадку.
Самым поразительным открытием стал не сам Плутон с его сердцем из азотного льда, а его крупнейший спутник – Харон. Ученые ожидали увидеть безликую, покрытую кратерами ледышку, типичную для ледяных миров пояса Койпера. Вместо этого их взорам предстал мир с собственным характером: каньоны, тектонические разломы и… гигантское, простирающееся на сотни километров, пятно кроваво-красного цвета на северном полюсе. Это образование, тут же получившее неофициальное, но идеально описывающее его мрачную эстетику название «Мордор Макула» (в честь черной страны из «Властелина Колец»), поставило перед исследователями фундаментальный вопрос: что могло так ярко «обжечь» поверхность ледяной луны на самом краю известной нам системы?
Снимок автоматической межпланетной станции «Новые горизонты» от 14 июля 2015 года, незадолго до максимального сближения с Хароном.NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.Общественное достояние
Первые гипотезы: Толины – космическая «сажа»
Изначально, увидев ржавый оттенок пятна, ученые из миссии «Новые Горизонты» заподозрили, что имеют дело с толинами. Это не один конкретный химикат, а целый класс сложных органических соединений, образующихся из простых веществ, таких как метан или этан, под воздействием мощного излучения. Представьте себе процесс: солнечный ультрафиолет или космические лучи бомбардируют молекулы метана, разрывая их на части и заставляя пересобираться в более длинные и сложные полимерные цепочки. Получается нечто вроде липкой, смолистой «сажи» или аэрогеля, которая часто имеет красноватый или коричневатый оттенок.
Именно толины, как считают ученые, ответственны за рыжий цвет многих объектов во внешней Солнечной системе – от оранжевой дымки Титана до ржавых полос на ледяной поверхности Европы. Плутон, как известно, обладает разреженной атмосферой, в которой присутствует метан. Логично было предположить, что часть этого метана каким-то образом попадает на Харон и, подвергаясь длительному воздействию ультрафиолета, медленно «запекается» в красноватый толиновый налет.
«До миссии "Новые Горизонты" лучшие снимки "Хаббла" показывали Плутон лишь как размытое пятнышко отраженного света», – вспоминает планетолог Рэнди Гладстоун из Юго-Западного исследовательского института (SwRI) в США. – «Мы знали, что там что-то есть, но природа этого "чего-то" была полной тайной. "Мордор" стал для нас полной неожиданностью».
Однако красивая гипотеза почти сразу же натолкнулась на серьезные проблемы. Расчеты показывали, что гравитация Харона слишком слаба, чтобы надолго удержать летучий метан на своей поверхности. Попадая на холодный полюс, метан должен был бы почти мгновенно испариться под слабым, но все же присутствующим, солнечным светом. Для формирования толинового слоя нужны тысячи, если не миллионы лет стабильного облучения. Где же Харон берет достаточно метана и, что важнее, достаточно времени для его «приготовления»?
Новое исследование: Раскрытие планетарного тандема
Ответ, как выяснилось, кроется в уникальных отношениях между Плутоном и его лунным компаньоном. Харон не просто вращается вокруг Плутона; они представляют собой двойную систему, вращающуюся вокруг общего центра масс, расположенного между ними. Эта тесная связь означает, что два тела постоянно взаимодействуют.
Недавнее исследование, проведенное группой ученых под руководством доктора Уджавала Раута из того же SwRI, которое было опубликовано в авторитетных журналах Science и Geophysical Research Letters, добавило в эту картину определенные новые детали. Оно объединило сложное компьютерное моделирование с лабораторными экспериментами и раскрыло драматическую историю, разворачивающуюся в масштабе целых сезонов.
Исследователи смоделировали орбитальный танец этой пары. Плутон, как и Уран, вращается «лежа на боку», его ось наклонена на 120 градусов. Это приводит к чрезвычайно выраженным сезонным изменениям. На Хароне, который находится в приливном захвате и всегда повернут к Плутону одной стороной, эти сезоны длятся по несколько земных десятилетий. Весна на северном полюсе – это не плавное потепление, а настоящий взрыв.
Моделирование показало, что относительно резкое потепление полюса, длящееся несколько лет – всего лишь мгновение по сравнению с 248-летним орбитальным периодом Харона, – приводит к уникальному явлению. Тонкая, всего в десятки микрон, дымка замерзшего метана, которая накопилась за долгую зиму, не успевает медленно сублимироваться. Она буквально взрывообразно испаряется на одном полюсе, в то время как на другом начинается столь же стремительное замораживание.
«Этот процесс похож на гигантский механизм "пилы", – объясняет доктор Раут. – Ледяная "пыль" переносится с полюса на полюс, но химические процессы не успевают за этой скоростью. Наш модель показала, что этого быстрого движения было бы слишком мало для того, чтобы большая часть замерзшего метана поглотила достаточное количество ультрафиолетового излучения Лайман-альфа для превращения в толины».
И здесь на сцену выходит второй, не менее важный, персонаж этой космической драмы – этан (C₂H₆).
Этан – ключ к разгадке?
Если метан – это летучий и непостоянный «строительный материал», то его ближайший родственник, этан, гораздо более стабилен. Он менее летуч и может сохраняться на поверхности Харона гораздо дольше. Откуда же берется этан на Хароне? И снова источником оказывается Плутон.
В верхних слоях атмосферы Плутона под воздействием солнечного ультрафиолета метан распадается, и часть его рекомбинирует в более тяжелые углеводороды, включая этан. Этот этан, как и метан, может покидать гравитационные объятия Плутона и совершать путешествие к Харону. Попадая на его поверхность, особенно на постоянно холодные полярные регионы, этан замерзает и накапливается.
Но здесь ученых ждал новый парадокс. Лабораторные эксперименты четко показывают: ультрафиолетовое излучение Лайман-альфа, которое так эффективно «приготавливает» метан, практически не воздействует на этан. Оно не может превратить его в красный толин. Так что же тогда красит «Мордор»?
Ответ, по мнению команды Раута, лежит в другом виде космической радиации – в солнечном ветре.
Солнечный ветер – главный «художник»
лутон и три из его известных спутников. Плутон и Харон — два ярких объекта в центре; два слабых пятнышка правее — это Никта и ГидраH. Weaver (JHU/APL), A. Stern (SwRI), and the HST Pluto Companion Search Team.Общественное достояние
Солнечный ветер – это поток заряженных частиц (в основном протонов и электронов), непрерывно истекающий из Солнца. В отличие от ультрафиолета, эти частицы обладают высокой энергией и способны проникать глубже в лед, разрывая химические связи и инициируя сложные реакции.
Исследователи предполагают, что именно ионизирующее излучение солнечного ветра, воздействующее на смесь метанового и этанового льда на полюсах Харона в течение миллионов лет, является тем самым «художником», который создал кровавый лик луны.
«Мы считаем, что ионизирующая радиация солнечного ветра разрушает полярный лед, который уже был "запечен" излучением Лайман-альфа, и синтезирует все более сложные и красные материалы», – говорит доктор Раут. – «Этот медленный, но неумолимый процесс и является ответственным за создание этого уникального альбедо на загадочной луне».
Проще говоря, схема выглядит так:
1. Плутон «поставляет» на Харон метан и этан.
2. Слабый солнечный ультрафиолет (Лайман-альфа) начинает первичную обработку метана, запуская процесс образования простейших толинов.
3. Мощные частицы солнечного ветра завершают работу, «сшивая» молекулы этана и остатков метана в длинные, сложные полимерные цепочки, которые и обладают характерным кирпично-красным цветом.
Этот процесс идет достаточно медленно, чтобы успевать за сезонными миграциями льда. Этан, как более стабильный компонент, накапливается в полярных «ловушках» холода, и солнечный ветер года за годом, век за веком, придает ему все более густой и насыщенный оттенок.
Значение открытия и будущие исследования
Открытие, сделанное командой SwRI, имеет далеко идущие последствия. Оно демонстрирует невероятно тесную связь между Плутоном и Хароном, превращая их из простой пары «планета-спутник» в единую химическую лабораторию. Это также меняет наше понимание того, как органика и сложные соединения распространяются и формируются в ледяных мирах на периферии звездных систем.
Харон оказывается не пассивным приемником, а активным химическим реактором, где уникальные физические условия порождают феномены, не встречающиеся больше нигде в Солнечной системе.
«Дальнейшие лабораторные эксперименты и моделирование помогут укрепить гипотезу о том, что "румянец" Харона гораздо сложнее, чем мы думали изначально», – заключает доктор Раут.
Загадка «обожженной луны» еще не закрыта полностью. Для окончательной проверки этой модели потребуются новые миссии к поясу Койпера, которые смогут провести более детальный химический анализ поверхности Харона. Но уже сейчас ясно одно: далекий и холодный мир у границ нашей звездной системы оказался полон неожиданной динамики и сложных химических процессов, бросающих вызов нашему воображению и в очередной раз доказывающим, что космос всегда готов преподнести сюрприз, стоит только присмотреться повнимательнее.
