Астрономия

В густой оранжевой дымке Титана, где температура опускается до минус 180 градусов Цельсия, происходят невозможные по земным меркам химические реакции: молекула циановодорода (HCN), рожденная в атмосфере из азота, метана и этана, могла сформировать кристаллы, объединяющие вещества противоположной природы.

Ледяная луна Сатурна — Титан — единственное тело в Солнечной системе, кроме Земли, где на поверхности есть моря и озера. Правда, наполнены они не водой, а жидким метаном, который, в условиях криогенной среды и плотной атмосферы, циркулирует так же, как вода на Земле. Ранее в Северном полушарии спутника зафиксировали образование метановых облаков, из которых время от времени проливаются дожди из углеводородов (метана и этана).

Особый интерес для ученых представляет циановодород (HCN) — полярная молекула, образующаяся в верхних слоях холодной атмосферы Титана. Именно она запускает цепочку реакций, ведущих к образованию аминокислот и других компонентов, необходимых для существования примитивных форм жизни.

Более того, с ней связаны так называемые толины — внеземные органические вещества, которые также наблюдают на спутнике Нептуна Тритоне, кометах и карликовой планете Седне. Результаты ранее проведенных исследований, моделирующих образование туманов на Титане, показали, что толины могут изменять структуру и химический состав под действием жидкого метана при экстремально низких температурах.

Поскольку циановодород на этой луне присутствует в облаках и аэрозолях, ученые предположили, что он может либо оседать на поверхности — если это действительно так, то за миллиарды лет там должно было накопиться несколько метровых слоев, — либо каким-либо образом взаимодействовать с окружающей средой.

Расставить все точки над i решила международная исследовательская группа под руководством Мартина Рама (Martin Rahm) при участии Фернандо Искьердо-Руиса (Fernando Izquierdo-Ruiz) из Технического университета Чалмерса (Швеция). Для этого они провели эксперимент, конденсируя пары метана и этана на кристаллах циановодорода при температурах, близких к условиям поверхности луны (около минус 180 градусов Цельсия).

Результаты научной работы, опубликованной в журнале PNAS, показали, что на Титане могут формироваться необычные кристаллы, в которых соединяются полярные и неполярные вещества. Открытие нарушает незыблемое правило химии «подобное растворяется в подобном», согласно которому вещество лучше растворяется в жидкости, если обладает той же полярностью и сходными прочими характеристиками. То есть в привычных земных условиях капля масла не раствориться в воде, в отличие от капли спирта (этанола).

Однако на Титане полярный циановодород прекрасно смешивается с неполярными метаном и этаном: сконденсировав пары углеводородов на кристаллы HCN в серии экспериментов, Рам и Искьердо-Руис применили метод спектроскопии и с его помощью зафиксировали характерные смещения спектральных линий. Именно эти небольшие «сдвиги» указали на усиление водородных связей после внедрения углеводородных молекул в структуру кристаллов циановодорода. Результаты подтвердили с помощью компьютерного моделирования.

Оказалось, что образованные стабильные структуры — со-кристаллы — и даже твердые растворы оставались устойчивыми в условиях, характерных для поверхности Титана. Энергетическая разница между чистыми веществами и полученными структурами при этом была настолько мала (всего 0,5-1 килоджоулей на моль), что со-кристаллы на спутнике Сатурна могут возникать спонтанно. Наиболее прочными оказались структуры, содержание этана в которых составило 10-20%.

Эти «невозможные» кристаллы, судя по всему, играют важную роль в «минералогии» Титана: отложения циановодорода на поверхности луны могут взаимодействовать с углеводородами. Они удерживают их в кристаллическом состоянии, тем самым создавая своеобразные «резервуары» метана и этана.

Если выводы ученых верны, то при изменении температуры и давления со-кристаллы будут высвобождаться, что приведет к эрозии и изменениям формы ландшафта. Этот процесс также может объяснить загадочные «метановые острова» — временные образования, наблюдаемые на поверхности метановых морей.

Авторы статьи отметили, что их работа — важный шаг в понимании химии ледяных миров. Окончательно подтвердить существование со-кристаллов исследователи надеются с помощью миссии NASA Dragonfly, которая должна прибыть на Титан в 2034 году и, по плану, работать на поверхности спутника газового гиганта.