Астрономы нашли подтверждение модели химического состава газов в атмосфере спутника Сатурна Титана, которая учитывает галактические космические лучи в качестве отдельного фактора. Высокоэнергетические частицы отличаются по проникающей способности от ультрафиолета и магнитосферных электронов, что проявляется в образовании молекул со смещенным соотношением изотопов азота. Результаты были получены при анализе вспомогательных архивных данных, а проведение специальных наблюдений позволит лучше разобраться с протекающими в оболочке одного из крупнейших спутников в Солнечной системе реакциями, пишут авторы в препринте на сервере arXiv.org.
Титан — самый большой спутник Сатурна, который также занимает второе место по размеру среди всех спутников планет в Солнечной системе, уступая Ганимеду всего два процента. Этот объект характеризуется атмосферой с очень сложным составом, в которой наблюдается множество органических соединений. Из-за этого Титан часто рассматривается как одной из наиболее перспективных с точки зрения поисков примитивной внеземной жизни мест.
Титан также может быть интересен сугубо с технической точки зрения в качестве опорного источника. Например, массив субмиллиметровых телескопов ALMA использует его для калибровки. Это необходимо, так как в рабочем диапазоне длин волн этой установки расположено множество линий поглощения простых молекул, например воды. Чтобы минимизировать их эффект, ALMA расположена в высокогорной пустыне в Чили, но и тут погодные условия меняются. Для оценки их влияния телескопы регулярно наводятся на изученные объекты с известной яркостью, такие как Титан. В результате в архивных данных ALMA хранится множество измерений Титана, которые были получены в рамках вспомогательных наблюдений.
Японские астрономы при участии Такахиро Иино (Takahiro Iino) из Токийского университета использовали калибровочные наблюдения Титана для изучения состава его атмосферы. Конкретно ученых интересовало соотношение изотопов азота в молекулах ацетонитрила CH3CN, которое оказалось на уровне 125, что говорит о действии дополнительного фактора, так как избыток азота-14 над азотом-15 в молекулах цианистого водорода HCN и цианоацетилена HC3N находится на значительно меньшем уровне — около 80.
Наиболее распространенным соединением азота в атмосфере Титана является цианистый водород. По современным представлениям множество других соединений возникает в результате реакций, которые инициируются атомами азота, появляющимися в результате диссоциации молекул N2. Ученые выделяют три возможных воздействия, способных вызвать разрушение молекулы: ультрафиолетовое излучение, магнитосферные электроны и галактические космические лучи.
Реакции, ответственные за синтез различных азотсодержащих молекул, могут зависеть от условий. В частности, модели предсказывают, что промежуточным веществом для появления ацетонитрила является соединение CH2CN, которое образуется при реакции атомарного азота только с радикалами C2H3, а не с наиболее распространенным CH3. Из-за этого данные реакции должны протекать только при высоком давлении на относительно небольшом расстоянии от поверхности Титана. Однако так глубоко в атмосферу не проникают ни ультрафиолетовые фотоны, ни разогнанные магнитным полем электроны.
Параметры фотодиссоциации могут зависеть от изотопного состава: ультафиолет плохо разрушает содержащие азот-14 молекулы в верхних слоях, в то время как электроны делают это в десять раз эффективнее; в то же время молекулы с азотом-15 намного чаще распадаются при взаимодействии с фотонами. В отличие от этих взаимодействий галактические космические лучи не различают изотопы и действуют на все одинаково. Получается, что на больших высотах, где ультрафиолет оказывается основным фактором, все азотсодержащие молекулы должны быть в одинаковой степени обогащены по редкому изотопу, а на глубинах, куда могут проникнуть только космические лучи, редкого изотопа должно быть меньше.
В результате для ацетонитрила, цианистого водорода и цианоацетилена предсказывается одинаковое отношение изотопов на уровне в 80 на больших высотах, но только для ацетонитрила, который синтезируется глубоко в атмосфере, оно должно увеличиваться до примерно 120 на расстоянии около 200 километров от поверхности. Для цианистого водорода и цианоацетилена измерения уже были проведены и они согласуются с предсказаниями.
Концентрации молекул ацетонитрила испытывают существенные временные и пространственные колебания в атмосфере Титана, из-за чего соотношение изотопов в них можно надежно установить только на основе информации, собранной одновременно для молекул с разными изотопами. Японские ученые смогли обнаружить в калибровочных данных ALMA линии, соответствующие вращательным переходам CH3CN и CH3C15N, которые были порождены молекулами на высотах от 160 до 400 километров. Анализ показал, что азот-14 встречается в этих соединения в 125 раз чаще, чем азот-15, однако остаются высокие ошибки от +145 до -44, связанные с недостаточным качеством данных.
Астрономы отмечают, что проведение специальных наблюдений Титана позволит получить намного более точные результаты. Это позволит проверить другие предсказания моделей, такие как высокие градиенты соотношения изотопов и бимодальность их распределения в молекулах. Также космические лучи считаются важным фактором для химии и других небесных тел, например, Нептуна. Подобные явления могут оказаться весьма распространенными во Вселенной.
