Карл Саган - Голубая точка. Космическое будущее человечества
Дэниэл Харрис, ученик Койпера, убедительно доказал, что Титан красноватый. Возможно, мы видим на нем такую же ржавую поверхность, как на Марсе. Чтобы еще кое-что узнать о Титане, можно было измерить поляризацию отражаемого им солнечного света. Обычный солнечный свет не поляризован. Джозеф Веверка, в настоящее время сотрудник Корнеллского университета, был моим аспирантом в Гарварде; можно сказать, Койпер приходился ему «научным дедушкой». В своей докторской диссертации, которую Веверка защитил около 1970 г., он описал измерения поляризации Титана и открыл, что она изменяется в зависимости от относительного расположения самого Титана, Солнца и Земли. Но это явление совершенно не походило на аналогичные изменения, скажем, у Луны. Веверка пришел к выводу, что характер подобных изменений согласуется с наличием обширных облаков или дымки на Титане. Рассматривая этот спутник через телескоп, мы не видим его поверхность. Мы ничего не знаем о том, какова эта поверхность. Не представляем, насколько глубоко под облаками она находится.
Итак, к началу 1970-х гг. благодаря наследию Гюйгенса и его интеллектуальных потомков мы как минимум узнали, что у Титана плотная, насыщенная метаном атмосфера, что он, вероятно, окутан вуалью красноватых облаков или аэрозольной дымкой. Но какие облака могут быть рыжими? В начале 1970-х гг. мы с коллегой Бишуном Харе ставили в Корнелле эксперименты: облучали различные модели насыщенной метановой атмосферы ультрафиолетом или потоками электронов. В результате у нас получался красноватый или коричневатый осадок; это вещество покрывало стенки лабораторных сосудов. Мне казалось, что если богатый метаном Титан имеет красновато-коричневые облака, то они вполне могут походить по составу на то вещество, которое мы получали в лаборатории. Мы назвали этот материал «толин», что в переводе с греческого означает «мутный». Сначала мы могли только гадать, из чего состоит толин. Он представлял собой некую вязкую органику, образующуюся при распаде исходных молекул и при последующей рекомбинации молекулярных фрагментов, состоящих из атомов углерода, водорода и азота.
Слово «органика» не подразумевает биологического происхождения. По давней традиции, закрепившейся в химии более века назад, молекулы называются «органическими», просто если их основу образуют атомы углерода (за исключением немногих простейших молекул, например, моноксида углерода CO или диоксида углерода CO2). Поскольку в основе земной жизни лежат органические соединения, а Земля в течение какого-то времени была безжизненной, органические молекулы на нашей планете должны были образоваться в результате каких-то процессов еще до возникновения первых организмов. Возможно, предположил я, что-то подобное происходит сегодня на Титане.
В 1980-м и 1981 г. в систему Сатурна прибыли «Вояджер-1» и «Вояджер-2» – это были эпохальные события в изучении Титана. Датчики ультрафиолетового, инфракрасного и радиоизлучения позволили определить через атмосферу, каковы давление и температура на Титане – от скрытой поверхности до границы между атмосферой и космосом. Мы узнали, на какой высоте находятся верхушки облаков. Выяснилось, что атмосфера Титана в основном состоит из азота N2 – как и нынешний земной воздух. Другой важнейшей ее составляющей, как правильно предположил Койпер, является метан CH4 – то самое сырье, из которого на Титане образуются органические молекулы.
На Титане было обнаружено множество простых органических молекул, в основном углеводородов и нитрилов. В самых сложных из этих молекул содержится по четыре «тяжелых» атома (углерода и/или азота). Молекулы углеводородов состоят только из атомов углерода и водорода, самые известные углеводороды – это природный газ, нефть и парафины. (Они заметно отличаются от углеводов, таких как сахара и крахмал; в углеводах содержатся еще и атомы кислорода.) Нитрилы – это молекулы, содержащие атомы углерода и азота, связанные особым образом. Самый известный нитрил – это HCN, газ циановодород, смертельный для человека. Но циановодород – одно из звеньев того процесса, в результате которого на Земле возникла жизнь.
Было соблазнительно обнаружить эти простые органические молекулы в верхних слоях атмосферы Титана – даже если их доля составляет одну на миллион или на миллиард других молекул. Могла ли подобная атмосфера существовать на девственной Земле? В настоящее время масса атмосферы Титана примерно в десять раз больше земной, но и молодая Земля также могла обладать более плотной атмосферой.
Более того, «Вояджер» открыл обширную область высокоэнергетических электронов и протонов, окружающих Сатурн; они захвачены магнитным полем планеты. Титан, обращаясь вокруг Сатурна, то окунается в эту магнитосферу, то выныривает из нее. Пучки электронов (плюс солнечный ультрафиолет) бомбардируют верхние слои атмосферы Титана точно так же, как заряженные частицы (и солнечный ультрафиолет) попадали в атмосферу первозданной Земли.
Поэтому кажется совершенно логичным попробовать облучать подходящую смесь метана и азота ультрафиолетовыми лучами или пучками электронов при очень низком давлении и попытаться определить, какие более сложные молекулы удастся получить таким образом. Можно ли смоделировать процессы, происходящие в верхних слоях атмосферы Титана? В нашей корнеллской лаборатории мы смогли в какой-то степени воспроизвести синтез органических газов на Титане – ключевую роль в этой работе сыграл мой коллега У. Томпсон. Простейшие углеводороды на Титане образуются под действием солнечного ультрафиолета. Но что касается всех остальных газообразных соединений, именно те из них, что легко образуются под действием электронов в лабораторных условиях, соответствуют соединениям, открытым «Вояджером» в атмосфере Титана, в том числе и по пропорциям. Соответствие однозначное. Следующие по массовой доле газы, полученные нами в лаборатории, мы будем искать в ходе дальнейших исследований Титана. В самых сложных органических газах, которые нам удалось синтезировать, есть молекулы, содержащие по шесть-семь атомов углерода и/или азота. Затем из таких молекул образуются толины.
КОГДА «ВОЯДЖЕР-1» ПРИБЛИЖАЛСЯ К ТИТАНУ, мы надеялись, что узнаем что-то о его поверхности. На большом расстоянии спутник казался крошечным диском; но постепенно все поле обзора нашей камеры оказалось занято небольшим фрагментом Титана. Если бы в дымке и облаках образовался просвет шириной хотя бы несколько километров, то мы смогли бы взглянуть на скрытый ландшафт Титана. Но не просматривалось ни следа такого просвета. Сплошная облачность. Никто на Земле не знает, что происходит на поверхности Титана. Если бы там находился наблюдатель и смотрел вверх в обычном видимом спектре, он бы и не догадывался о том великолепии, которое открывается за пеленой облаков, когда ты завороженно разглядываешь Сатурн и его величественные кольца.
На основании измерений, сделанных «Вояджером», а также выполненных околоземной орбитальной обсерваторией «Международный ультрафиолетовый исследователь» (IUE) и наземными телескопами, нам достаточно много известно об оранжево-коричневых частицах дымки, заволакивающей Титан; какая часть спектра активно поглощается этими облаками, какие лучи сквозь них проникают, насколько они преломляют проходящий через них свет, насколько велики эти частицы (в основном они сопоставимы по размеру с частицами сигаретного дыма). Разумеется, оптические свойства будут зависеть от состава частиц дымки.
Я и Хейр совместно с Эдвардом Аракавой из Национальной лаборатории Оук-Ридж, штат Теннесси, измерили оптические свойства толинов Титана. Оказывается, что толин как две капли воды похож по составу на дымку этого спутника. Ни одно другое вещество, минеральное или органическое, не соответствует оптическим константам Титана. Итак, мы можем смело утверждать, что «поймали в бутылку» дымку Титана – ту самую, что образуется в верхних слоях его атмосферы. Из чего состоит это вещество?
Весьма сложно определить точный состав сложного твердого органического соединения. Например, химия угля изучена еще далеко не полностью, несмотря на стабильные экономические вливания. Но нам удалось кое-что узнать о толине с Титана. В нем содержатся все важнейшие вещества, на основе которых возникла земная жизнь. Действительно, если бросить толины Титана в воду, мы получим множество аминокислот – фундаментальных компонентов белков, а также нуклеотидные основания, первоэлементы ДНК и РНК. Некоторые аминокислоты, образующиеся таким образом, широко распространены в земной биохимии. Другие – вещества совершенно иного рода. Также здесь присутствует богатый набор иных органических молекул, некоторые из них важны для жизни, другие – нет. За минувшие 4 млрд лет из атмосферы Титана на поверхность спутника выпали колоссальные объемы органических молекул. Если все это вещество на протяжении прошедших эпох оставалось глубоко замороженным и нетронутым, то его слой должен иметь мощность как минимум несколько десятков метров, а то и километр.
