Харон. Фото: NASA

Во время исторического пролёта мимо Плутона 14 июля 2015 года космический аппарат «Новые горизонты» сделал потрясающе красивые фотографии Плутона и пяти его спутников, в том числе самого крупного — Харона. Учёные никогда не надеялись получить настолько детальные фотографии спутника карликовой планеты, которая находится на краю Солнечной системы, на расстоянии более 4 млрд км от нас (примерно, 4,3-7,5 млрд км, в зависимости от точек орбит).

На фотографиях астрономы увидели причудливый ландшафт из водяного льда, испещрённый горами и каньонами. И, конечно же, огромное загадочное пятно грязно-красного цвета, которое покрывает северный полюс.

Это пятно диаметром примерно 475 км получило название Мордор. Внешний вид пятна с окружающими горными хребтами напомнил учёным известный район Средиземья, владения Саурона, куда Фродо с другом отправился, чтобы уничтожить Кольцо Всевластья.

Поначалу учёные полагали, что пятно сформировано из остатков твёрдых органических соединений, которые образовались из газов под влиянием ультрафиолетового излучения, потока заряжённых частиц от Солнца или космической радиации.

Правда, у этой теории было два маленьких изъяна. Во-первых на Хароне нет никаких газов. Во-вторых, там почти нет космической радиации, а северный полюс почти постоянно находится в тени от Солнца.


Диаметр Харона примерно вдвое меньше диаметра Плутона (фотографии в псевдоцветах). Фото: НАСА

Вулканическая активность наблюдается только на Плутоне, но не на Хароне. То есть для подтверждения теории об образовании Мордора нужно было выдвинуть ещё одну теорию о переносе газа с Плутона на Харон и найти источник излучения для проведения химической реакции.

После 12 месяцев упорного труда группа из 127 учёных сумела-таки подвести теоретическую базу под эту версию. В опубликованной вчера научной работе группа исследователей из НАСА, института SETI и других научных организаций выстроила чёткую цепочку событий, каким образом метан с Плутона попадает на Харон и что с ним происходит.

Итак, вот что происходит. Будучи карликовой планетой, Плутон не может удержать у своей поверхности весь метан после извержений вулканов. Часть метана регулярно сдувает солнечным ветром в сторону Харона. В свою очередь, гравитации Харона тоже недостаточно для удержания газа. Но учёные рассчитали, что 2,5% метана с Плутона остаётся у поверхности Харона. Если посчитать, то во время этих событий примерно 270 млрд молекул метана попадает на каждый квадратный метр Харона каждую секунду.

Частицы метана у Харона ведут себя примерно как частицы газа в экзосфере, то есть прыгают по баллистическим траекториям. Такая жизнь молекул продолжается до тех пор, пока они не попадут в ловушку северного полюса. «Температура на северном полюсе невероятно низкая, — говорит астроном Уилл Гранди (Will Grundy) из обсерватории Лоуэлл, один из 127 авторов научной работы, — так что любая молекула CH₄, столкнувшись с северным полюсом, уже не способна отскочить от поверхности, как от любого другого места на Хароне. В конце концов, там накапливается немного метана».


Моделирование температуры на разных широтах Харона в 1750-2050 гг (в °K)

Но это еще не всё. Ведь метан — бесцветный газ. Чтобы образовать красное пятно Мордора, обязательно нужно провести химическую реакцию с участием ультрафиолетового излучения. Где его взять?


Пятно Мордор. Фото: NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute

Уилл Гранди с коллегами составили не противоречащую законам физики модель, как ультрафиолетовые лучи отскакивают от молекул газообразного водорода в межпланетной среде — и попадают на северный полюс Харона, который находится в тени. Ультрафилолет выбивает атомы водорода из CH₄, образуя метил CH₃. Эти радикалы метана очень активны и легко вступают в реакции друг с другом.

«Если всё это происходит достаточно долго, то фрагменты продолжают рекомбинировать, и у вас начинают образоваться эти большие макромолекулы, где всё соединяется друг с другом в абсолютно беспорядочном месиве», — объяснил Уилл Гранди. Согласно расчётам, за миллион лет образуется слой макромолекул толщиной примерно 0,16 мм.

Это месиво из макромалекул в научной терминологии называется толины — органические вещества, линии поглощения которых обнаружены в спектрах многих ледяных тел внешней Солнечной системы. Считается, что они представляют собой смесь различных органических сополимеров, образованных в атмосфере из простых органический соединений, таких как метан и этан, под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Как полагают, толины являются химическими предшественниками жизни (под воздействием гидролиза толины могут рекомбинировать в аминокислоты).

В конце 20 века учёным удалось получить толины в лабораторных условиях на Земле, хотя здесь они уже не образуются естественным путём. Тем не менее, эта протооснова жизни в реальности даже съедобна — некоторые бактерии могут ей питаться.

И толины действительно грязно-красного цвета.

ЧТД

Правда, есть одна небольшая неувязка. На другом спутнике Плутона под названием Никта тоже обнаружено красное пятно. Но из-за его меньшей массы (размеры камня 54 ? 41 ? 36 км) по данной теории аналогичные процессы должны идти там примерно в 20 000 раз медленнее. Пятно же кажется слишком большим для такого процесса. Так что загадку Мордора ещё рано считать полностью разгаданной.


Спутник Никта. Фотография с космического аппарата «Новые горизонты»

Научная работа опубликована 14 сентября 2016 года в журнале Nature (doi: 10.1038/nature19340).