Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa sezione, sarai in grado di:
- spiegare come la spessa atmosfera di Titano renda possibile la presenza di corpi liquidi sulla sua superficie
- Descrivere cosa abbiamo imparato dall’atterraggio su Titano con la sonda Huygens
- Discutere le caratteristiche che abbiamo osservato sulla superficie di Tritone quando la Voyager 2 ci è passata vicino
Sposteremo ora la nostra attenzione sui piccoli mondi nelle parti più lontane del sistema solare. La grande luna di Saturno, Titano, risulta essere uno strano cugino della Terra, con molte somiglianze nonostante le temperature rigide. Le osservazioni di Cassini su Titano hanno fornito alcune delle più eccitanti scoperte recenti nella scienza planetaria. Anche Tritone, la luna di Nettuno, ha caratteristiche insolite e assomiglia a Plutone, di cui parleremo nella sezione seguente.
Titano, una luna con atmosfera e laghi di idrocarburi
Titano, visto per la prima volta nel 1655 dall’astronomo olandese Christiaan Huygens, fu la prima luna scoperta dopo che Galileo vide le quattro grandi lune di Giove. Titano ha approssimativamente lo stesso diametro, massa e densità di Callisto o Ganimede. Presumibilmente ha anche una composizione simile, circa metà ghiaccio e metà roccia. Tuttavia, Titano è unico tra le lune, con una spessa atmosfera e laghi e fiumi e pioggia che cade (anche se questi non sono composti da acqua ma da idrocarburi come etano e metano, che possono rimanere liquidi alle temperature gelide di Titano).
Figura 1: Struttura dell’atmosfera di Titano. Alcune caratteristiche dell’atmosfera di Titano assomigliano a quelle dell’atmosfera terrestre, anche se è molto più fredda del nostro pianeta. La linea rossa indica la temperatura dell’atmosfera di Titano a diverse altitudini.
Il flyby Voyager del 1980 di Titano ha determinato che la densità superficiale della sua atmosfera è quattro volte maggiore di quella della Terra. La pressione atmosferica su questa luna è di 1,6 bar, superiore a quella di qualsiasi altra luna e, notevolmente, anche superiore a quella dei pianeti terrestri Marte e Terra. La composizione atmosferica è principalmente azoto, un modo importante in cui l’atmosfera di Titano assomiglia a quella terrestre.
Nell’atmosfera di Titano sono stati rilevati anche monossido di carbonio (CO), idrocarburi (composti di idrogeno e carbonio) come il metano (CH4), etano (C2H6) e propano (C3H8), e composti di azoto come l’acido cianidrico (HCN), cianogeno (C2N2) e cianoacetilene (HC3N). La loro presenza indica una chimica attiva in cui la luce del sole interagisce con l’azoto atmosferico e il metano per creare un ricco mix di molecole organiche. Ci sono anche strati multipli di foschia di idrocarburi e nuvole nell’atmosfera, come illustrato nella Figura 1.
Queste scoperte del Voyager hanno motivato un programma di esplorazione molto più ambizioso utilizzando l’orbiter Saturno Cassini della NASA e una sonda per atterrare su Titano chiamata Huygens, costruita dall’Agenzia Spaziale Europea. L’orbiter, che comprendeva diverse telecamere, spettrometri e un sistema di imaging radar, ha fatto decine di sorvoli ravvicinati di Titano tra il 2004 e il 2015, ognuno dei quali ha prodotto immagini radar e a infrarossi di porzioni della superficie (vedi Esplorare i pianeti esterni). La sonda Huygens è scesa con successo con il paracadute attraverso l’atmosfera, fotografando la superficie da sotto le nuvole, e atterrando il 14 gennaio 2005. Questo è stato il primo (e finora l’unico) atterraggio di un veicolo spaziale su una luna del sistema solare esterno.
Alla fine della sua discesa con il paracadute, la sonda Huygens di 319 chilogrammi ha toccato terra in sicurezza, è scivolata per un breve tratto e ha iniziato a inviare dati alla Terra, comprese foto e analisi dell’atmosfera. Sembrava essere atterrata su una pianura piatta e disseminata di massi, ma sia la superficie che i massi erano composti da ghiaccio d’acqua, che è duro come la roccia alla temperatura di Titano (vedi Figura 2).
Le foto scattate durante la discesa hanno mostrato una varietà di caratteristiche, compresi i canali di drenaggio, suggerendo che Huygens era atterrato sulla riva di un antico lago di idrocarburi. Il cielo era di un arancione intenso, e la luminosità del Sole era mille volte inferiore a quella della luce solare sulla Terra (ma comunque più di cento volte più luminosa che sotto la luna piena sulla Terra). La temperatura della superficie di Titano era di 94 K (-179 °C). La navicella più calda ha riscaldato abbastanza il ghiaccio dove è atterrata per permettere ai suoi strumenti di misurare il gas idrocarburo rilasciato. Le misurazioni sulla superficie sono continuate per più di un’ora prima che la sonda soccombesse alla temperatura gelida.
Figura 2: Viste della superficie di Titano. L’immagine di sinistra mostra le viste di Titano dalla camera di discesa, in una proiezione appiattita, a diverse altitudini. L’immagine di destra, presa dopo l’atterraggio, mostra una superficie cosparsa di massi illuminata da una debole luce solare rossastra. I massi sono composti da ghiaccio d’acqua. (credito a sinistra: modifica del lavoro di ESA/NASA/JPL/Università dell’Arizona; credito a destra: modifica del lavoro di ESA/NASA/JPL/Università dell’Arizona; elaborato da Andrey Pivovarov)
Immagini radar e infrarosse di Titano dall’orbiter Cassini hanno gradualmente costruito un quadro di una superficie notevolmente attiva su questa luna, complessa e geologicamente giovane (Figura 3). Ci sono grandi laghi di metano vicino alle regioni polari che interagiscono con il metano nell’atmosfera, proprio come gli oceani d’acqua della Terra interagiscono con il vapore acqueo nella nostra atmosfera. La presenza di molte caratteristiche erosionali indica che il metano atmosferico può condensarsi e cadere come pioggia, per poi scorrere lungo le valli fino ai grandi laghi. Così, Titano ha un equivalente a bassa temperatura del ciclo dell’acqua sulla Terra, con il liquido sulla superficie che evapora, forma le nuvole, e poi si condensa per cadere come pioggia – ma su Titano il liquido è una combinazione di metano, etano e una traccia di altri idrocarburi. Si tratta di un paesaggio stranamente familiare e tuttavia totalmente alieno.
Figura 3: I laghi di Titano. (a) Questa immagine Cassini da un flyby del settembre 2006 mostra i laghi liquidi su Titano. La loro composizione è molto probabilmente una combinazione di metano ed etano. (Poiché questa è un’immagine radar, i colori sono aggiunti artificialmente. Le aree blu scuro sono le superfici lisce dei laghi liquidi, e il giallo è il terreno solido più ruvido che li circonda). (b) Questo mosaico della superficie di Titano dalla missione Cassini-Huygens mostra in dettaglio un’alta area di cresta e molti stretti e sinuosi canali di erosione che sembrano essere parte di una diffusa rete di “fiumi” scavati dallo scorrere degli idrocarburi. (credito a: modifica del lavoro della NASA/JPL-Caltech/USGS; credito b; modifica del lavoro della NASA/JPL/ESA/University of Arizona)
Queste scoperte sollevano la questione se ci potrebbe essere vita su Titano. Gli idrocarburi sono fondamentali per la formazione delle grandi molecole di carbonio che sono essenziali per la vita sul nostro pianeta. Tuttavia, la temperatura su Titano è troppo bassa per l’acqua liquida o per molti dei processi chimici che sono essenziali per la vita come la conosciamo. Rimane, tuttavia, un’intrigante possibilità che Titano possa aver sviluppato una forma diversa di vita a bassa temperatura basata sul carbonio che potrebbe operare con idrocarburi liquidi che svolgono il ruolo dell’acqua. La scoperta di tale “vita come non la conosciamo” potrebbe essere ancora più eccitante che trovare la vita come la nostra su Marte. Se una tale vita veramente aliena è presente su Titano, la sua esistenza espanderebbe enormemente la nostra comprensione della natura della vita e degli ambienti abitabili.
Gli scienziati della missione Cassini e gli specialisti della presentazione visiva al Jet Propulsion Laboratory della NASA hanno messo insieme alcuni bei filmati dalle immagini prese da Cassini e Huygens. Vedi, per esempio, l’avvicinamento a Titano e il sorvolo del distretto dei laghi settentrionali.
Tritone e i suoi vulcani
Figura 4: Tritone, la luna di Nettuno. Questo mosaico di immagini del Voyager 2 di Tritone mostra una vasta gamma di caratteristiche della superficie. L’area rosata in basso è la grande calotta polare meridionale di Tritone. Il polo sud di Tritone è qui rivolto verso il Sole, e il leggero effetto di riscaldamento sta spingendo parte del materiale verso nord, dove è più freddo. (credit: modification of work by NASA/JPL/USGS)
Tritone, la luna più grande di Nettuno (non confondere il suo nome con Titano) ha un diametro di 2720 chilometri e una densità di 2,1 g/cm3, indicando che è probabilmente composto da circa il 75% di roccia mista al 25% di ghiaccio d’acqua. Le misurazioni indicano che la superficie di Tritone ha la temperatura più fredda di tutti i mondi che i nostri rappresentanti robotici hanno visitato. Poiché la sua riflettività è così alta (circa l’80%), Tritone riflette la maggior parte dell’energia solare che cade su di esso, determinando una temperatura superficiale tra i 35 e i 40 K.
Il materiale superficiale di Tritone è fatto di acqua congelata, azoto, metano e monossido di carbonio. Il metano e l’azoto esistono come gas nella maggior parte del sistema solare, ma sono congelati alle temperature di Tritone. Solo una piccola quantità di vapore di azoto persiste per formare un’atmosfera. Anche se la pressione superficiale di questa atmosfera è solo 16 milionesimi di bar, questo è sufficiente per sostenere sottili strati di foschia o nuvole.
La superficie di Tritone, come quella di molte altre lune del sistema solare esterno, rivela una lunga storia di evoluzione geologica (Figura 4). Sebbene si trovino alcuni crateri da impatto, molte regioni sono state inondate abbastanza recentemente dalla versione locale di “lava” (forse acqua o miscele di acqua e ammoniaca). Ci sono anche misteriose regioni di terreno accidentato o montuoso.
Figura 5: Geyser di Tritone. Questa vista ravvicinata mostra alcuni dei geyser sulla luna di Nettuno Tritone, con i lunghi treni di polvere che puntano in basso a destra in questa immagine. (credit: modification of work by NASA/JPL)
Il flyby del Voyager su Tritone è avvenuto in un momento in cui il polo sud della luna era inclinato verso il Sole, permettendo a questa parte della superficie di godere di un periodo di relativo calore. (Ricordate che “caldo” su Tritone è ancora scandalosamente più freddo di qualsiasi cosa che sperimentiamo sulla Terra). Una calotta polare copre gran parte dell’emisfero meridionale di Tritone, apparentemente evaporando lungo il bordo settentrionale. Questa calotta polare potrebbe consistere in azoto congelato che si è depositato durante l’inverno precedente.
Sorprendentemente, le immagini della Voyager hanno mostrato che l’evaporazione della calotta polare di Tritone genera geyser o pennacchi vulcanici di gas azoto (vedi Figura 5). (Fontane di tale gas si alzavano a circa 10 chilometri di altezza, visibili nella sottile atmosfera perché la polvere dalla superficie saliva con loro e li colorava di scuro). Questi pennacchi differiscono dai pennacchi vulcanici di Io per la loro composizione e anche per il fatto che derivano la loro energia dalla luce solare che riscalda la superficie piuttosto che dal calore interno.
Concetti chiave e riassunto
La luna di Saturno Titano ha un’atmosfera che è più spessa di quella della Terra. Ci sono laghi e fiumi di idrocarburi liquidi, e prove di un ciclo di evaporazione, condensazione e ritorno in superficie che è simile al ciclo dell’acqua sulla Terra (ma con metano ed etano liquidi). Il lander Cassini-Huygens si è posato su Titano e ha mostrato una scena con massi, fatti di ghiaccio d’acqua, congelato più duro della roccia. La fredda luna di Nettuno, Tritone, ha un’atmosfera molto sottile e geyser di gas azoto.