Астрономы использовали фотографии Титана, полученные с инструментов космического телескопа Джеймса Уэбба, и данные нескольких наземных обсерваторий для исследования состава и движения вихрей в атмосфере этого спутника Сатурна. Им удалось обнаружить два крупных облака в северном полушарии, а также, сравнивая снимки, полученные в разное время, — проследить за движением и изменением формы этих облаков. Облака на Титане должны предположительно образовываться в конце летнего периода в каждом полушарии, когда поверхность наиболее прогрета Солнцем, и недавние наблюдения подтверждают эти предположения.
Титан — единственный в Солнечной системе спутник с плотной атмосферой. Также это единственное небесное тело в нашей звёздной системе, на котором, как и на Земле, есть жидкость, включая реки, моря и океаны на поверхности. Поскольку температура на Титане — около −180 °C, вещество в жидком виде — это метан, этан и другие углеводороды. Облака и атмосфера Титана состоят из азота и углеводородов. Вещество в газообразном и жидком агрегатном состоянии на Титане играет ту же роль, что и потоки воздуха и воды на Земле — они во многом определяют рельеф планеты, ускоряя процессы выветривания горных пород.
Астрономы наблюдают за Титаном уже несколько десятилетий после пролёта возле него «Вояджера» в 1980 году. На протяжении последних 25 лет они исследуют спутник при помощи космических обсерваторий и наземных телескопов, а дополняют эти данные результаты космического зонда «Кассини», наблюдавшего за спутником в период с 2004 по 2017 годы. Интересно, что Титан — одно из немногих космических тел, на котором высадился посадочный модуль космического аппарата. Зонд «Гюйгенс» корабля «Кассини» в 2005 году совершил мягкую посадку на поверхность спутника. Он успел передать несколько снимков в процессе приземления и одну фотографию уже с поверхности.
Наблюдений инфракрасного орбитального телескопа за атмосферой Титана астрономы ожидали много лет. Инфракрасный спектр позволяет исследовать движение атмосферы и молекулярный состав её газов, а также разглядеть поверхность небесного тела сквозь слой атмосферы. При этом можно выделить тёмные и светлые участки — регионы, которые отличаются своей отражательной способностью (альбедо): в большинстве случаев составление карты небесного тела начинается именно с такой работы — ср. первые «карты» Луны, на которых просто отмечали тёмные и светлые участки поверхности, особо не вдаваясь в их природу. «Погода» на Титане особенно интересна тем, что его атмосферные вихри, как и движения жидкости на поверхности, похожи на аналогичные явления на Земле. И, как и на Земле, они формируют рельеф планеты.
В начале сентября, а также в конце ноября Титан оказался в выгодном положении для наблюдения с наземных телескопов. А именно, в это время он в своём движении по орбите должен был пройти на фоне звезды. Такие астрономические события называются покрытиями, или occultations. Они позволяют исследовать атмосферу спутника, используя фоновую звезду в качестве подсветки — так же исследуют атмосферы экзопланет при прохождении планеты на фоне своей звезды. События затмения использовали для наблюдений за Титаном при помощи телескопа обсерватории Кека и VLT (Very Large Telescope) в Чили. Программу наблюдений также скоординировали с другими телескопами, в том числе работающими в другом спектральном диапазоне, включая радиотелескоп ALMA в чилийской пустыне Атакама.
Телескоп Джеймса Уэбба сфотографировал Титан 4 ноября 2022 года. Сравнивая разные изображения с камеры ближнего инфракрасного диапазона NIRCam, астрономы сначала установили, что яркое пятно в северном полушарии Титана — это большое облако. Оно расположено в полярном регионе Титана в области, которую называют Морем Кракена. Через некоторое время удалось заметить и второе облако. Непосредственное обнаружение облаков на Титане интересно тем, что оно подтверждает предсказания компьютерных моделей климата Титана. А именно: из такого моделирования следует, что облака должны предпочтительно формироваться в околополярных широтах северного полушария в конце летнего сезона, когда поверхность наиболее разогрета излучением Солнца.
После обнаружения облаков нужно было отследить их движение и изменение формы. Так можно было бы обнаружить движение атмосферных вихрей на Титане. Для этого к наблюдениям привлекли обсерваторию Кека на Гавайях. Целью было исследовать атмосферу Титана от верхних слоёв до поверхности и обнаружить те же облака, которые попали в кадр телескопа Джеймса Уэбба. На серии изображений гавайской обсерватории имени Кека, снятых в промежутке от 30 до 54 часов после этого снимка, видны похожие облака, предположительно те же самые, но они смещены в кадре из-за относительного вращения спутника по отношению к Земле.
Качество изображений телескопов Джеймса Уэбба и обсерватории Кека может, на первый взгляд, показаться схожим для неспециалиста. Но две серии снимков существенно различаются. Данные двух телескопов дополняют друг друга, и JWST видит то, что не под силу гавайскому телескопу. В частности, инфракрасный спектрометр JWST может определить высоту облаков. Самое главное — JWST наблюдает в диапазоне длин волн, непрозрачном для атмосферы Земли (это как раз инфракрасный спектр), соответственно ни одна наземная обсерватория не сможет полноценно заменить эти наблюдения.
Астрономы также собрали спектральные данные с инструмента NIRSpec ближнего инфракрасного диапазона. Такой диапазон в наземные телескопы не просматривается, но именно он позволит изучить состав нижних слоёв атмосферы и собственно поверхности Титана. Пока что эти данные в процессе обработки, вероятно, что-то новое о спутнике мы узнаем позже. Также в мае-июне следующего года ожидается новая порция данных «Джеймса Уэбба», когда запланирована очередная серия наблюдений за Титаном. В этот раз кроме камеры NIRCam и спектрометра NIRSpec информация поступит и от инструмента среднего инфракрасного диапазона MIRI (Mid-Infrared Instrument). Эта часть спектра подходит для исследования сложных молекул газов в атмосфере; возможно, планетологи смогут получить ответ на вопрос, почему Титан — единственный спутник Солнечной системы с плотной атмосферой.
Новые наблюдения инфракрасной камеры «Джеймса Уэбба» в сочетании с данными наземных телескопов помогут узнать больше о климате на Титане в преддверии будущего проекта NASA Dragonfly отправки летательного аппарата с посадочным модулем для исследования спутника. Этот аппарат должен отправиться к Титану в 2027 году. Dragonfly будет исследовать пригодность спутника для жизни, химический состав его пород, а также искать признаки возможной жизни, которая могла бы развиться как на основе воды, как на Земле, так и на основе жидких углеводородов. Подробнее об этом проекте можно прочитать по ссылке, в большой статье «Жизнь при −180°».