Titan

Tutkijat ovat vihdoin saaneet valmistettua yleisluontoisen geologisen kartan Saturnuksen Titan-kuusta. Kooste julkaistiin maanantaina Nature Astronomy -tiedejulkaisussa.

Kartta antaa kuvan dynaamisesta maailmasta, jota täplittävät dyynit, järvet, tasangot, kraatterit ja muut maastonmuodot.

"Titanilla on aktiivinen metaaniin perustuva nesteen kierto, joka on muokannut monimutkaista geologista maisemaa. Se on pinnaltaan yksi geologisesti monimuotoisimmista kappaleista Aurinkokunnassa. Vaikka Titanin ja maapallon aineet, lämpötilat ja painovoimakin ovat hyvin erilaiset, monet pinnanmuodot näillä kahdella kappaleella ovat hyvin samankaltaisia. Siksi ne voidaan tulkita saman geologisen prosessin aikaansaamiksi. Karttamme osoittaa, että erilaiset geologiset maastot sijaitsevat selvästi eri leveysasteilla ja kattavat erilaisia alueita", kuvailee artikkelin ensimmäinen kirjoittaja, Rosaly Lopes, planetologi Jet Propulsion Laboratorystä.

Kartta perustuu Nasan Cassini-luotaimen aineistoihin. Cassini kiersi Saturnusta 2004-2017 ja ohitti tuona aikana Titanin yli 120 kertaa. Cassinista irtautunut Euroopan avaruusjärjestön Huygens-laskeutuja tömähti Titanin pinnalle tammikuussa 2005.

Titan on Saturnuksen suurin kuu. Sillä on Maan tavoin paksu ja lähinnä typestä koostuva kaasukehä, joka tosin on lähes läpinäkymätön. Titan on myös Maan ohella ainoa tunnettu taivaankappale, jonka pinnalla esiintyy pysyvästi nestettä. Veden sijasta Titanin taivaalta tosin sataa metaania ja etaania. Meillä nuo hiilivedyt ovat kaasumaisia, Titanin kylmässä ilmastossa taas nesteitä.

Toisin kuin Maasta, Kuusta, Marsista ja monista muista taivaankappaleista tehdyt kartat, Titanin kartta ei perustu perinteiseen kuva-aineistoon. Syynä on Titanin lähes läpinäkymätön kaasukehä. Titania onkin tutkittu niin kameroilla, SAR-tutkalla, korkeusmittaritutkalla, spektrometreillä että monilla muilla laitteilla.

Kartoituksessa käytettiin pääasiallisesti Cassinin tutkan keräämää, kartoitukseen sopivaa heijastusdataa. Siitä SAR-aineistossa oli kuitenkin niin ammottavia aukkoja, ettei se kattanut kuin alle puolet Titanin pinnasta. Globaalin kartan aikaansaamiseksi oli pakko käyttää vaihtoehtoisia datoja.

Paikkaamiseen käytettiin useiden muiden tiedelaitteiden keräämiä tietoja. Tehtävään kelpasivat jopa paksun metaaniusvan läpi otetut hämyisät näkyvän valon ja infrapuna-alueen kuvat, joista erottuu vain suurimpia pinnanmuotoja. Aluksi tuo muu data korreloitiin tutka-aineiston kanssa siellä, missä niiden kuvauspeitto oli yhtenevä. Kun pinnan yksiköt tunnistettiin muiden aineistojen yhteispelillä, onnistuttiin tulkitsemaan millaisia maastotyyppejä tutkan aukkopaikoista löytyy.

Nyt julkaistulta kartalta erottuvat Titanin kuusi suurinta, laajimmalle levinnyttä ja selvintä maastotyyppiä. Tutkijat saivat myös määritettyä missä järjestyksessä eri rakenteet ovat syntyneet.

Kaikkein nuorimpia piirteitä ovat Titanin järvialueet ja dyynikentät. Molempien synty ja alati jatkuva muutos on dynaamisen kaasukehän ansiota.

Titanin päiväntasaaja on kuivaa aavikkoa, jota peittää laaja dyynien vyö. Yksittäiset dyynit ovat tyypillisesti vain kilometrin tai kahden levyisiä, mutta jopa satojen kilometrien pituisia. Niitä liikutteleva tuuli puhaltaa pääsääntöisesti lännestä itään. Repaleiset dyynit peittävät lähes Venäjän kokoisen alan.

Lähempänä napoja taas on kosteampaa, sillä vuotuinen sademäärä on siellä suurempi. Napojen läheltä löytyykin noin 650 järvi- tai meriallasta. Juuri tällä hetkellä vellovat metaani- ja etaanijärvet tosin sijoittuvat lähelle pohjoisnapaa, kun taas etelässä järvialtaat ovat pääosin kuivuneet. Syynä tähän on luultavasti ilmaston radikaali muutos: Useissa järvialtaissa  on merkkejä sekä toistuvista tulvista että kuivista kausista. Yhteenlaskettuna järvet kattavat jotakuinkin Pohjoismaiden laajuisen alueen.

Dyynejä ja järviä ennen syntyivät tasangot, jotka peittävät yhä leijonanosan eli 2/3 Titanin pinnasta - jotakuinkin Euraasian mantereen laajuisen siivun. Tasankoja on useaa alatyyppiä, mutta niiden alkuperää ei vielä oikein osata täysin selittää. Kyse lienee sedimenteistä, jotka ovat lähinnä hiilivetyä.

Titanin järven lähellä on usein tasankojakin vanhempia "labyrinttimaisia" seutuja, joissa näkyy muinaisia virtausuomia. Ne lienevät jonkinlaisia karstialueita, joissa neste on onnistunut rankasti syövyttämään pintamateriaa. Hieman vastaavia piirteitä löytyy myös maapallon kalkkikiviseuduilta.

Titanin ylivoimaisesti vanhimpia piirteitä ovat lukemattomat lyhyet itä-länsisuuntaiset vuorijonot, sekä muunlainen kumpuileva maasto. Tällaiset seudut ovat syntyneet kauan sitten Titanin nuoruudessa, kuun jäähtyessä, kutistuessa ja rypistyessä. Vuoret ovat tyypillisesti alle parin kilometrin korkuisia, mutta kaikkein korkein huippu kohoaa 3337 metrin korkeuteen.

Kartalle on merkitty myös Titanin muutamat harvat törmäyskraatterit. Niiden vähyydestä päätellään, että kraatterit häviävät keskimäärin jo muutamassa sadassa miljoonassa vuodessa - eli geologisesti varsin nopeasti.

Sekä vuoret että kraatterien seinämät koostuvat vesijäästä eli Titanin peruskalliosta. Kaikkia muita alueita peittää orgaanisista yhdisteistä koostuvan sedimenttiaineksen kerros.

Ylimalkainen globaali kartta on vasta kartoituksen ensimmäinen vaihe. Kuva Titanista tulee terävöitymään kun tutkijat perehtyvät yksittäisiin alueisiin. Tämä prosessi saattaa viedä jopa vuosikymmeniä.

Katso myös täyden resoluution kartta!

Lähde: Lopes ja kumpp.: "A global geomorphologic map of Saturn’s moon Titan." Nature Astronomy 2019. https://doi.org/10.1038/s41550-019-0917-6 (maksumuurin takana)

Titanin kaasukehä on suurimmaksi osaksi typpeä, paine sen pinnalla on noin kaksinkertainen Maan ilmakehän paineeseen verrattuna, mutta pakkasta siellä on 180 astetta. 

Syväjäädytettyä muinaista Maata muistuttava kuu on jälleen paljastanut piirteitään. Tiheässä kaasukehässä leijailevat pilvet ja usva haittaavat pinnanmuotojen kuvaamista, mutta tutkalla päästään "näkemään" niiden läpi.

Titanin päiväntasaajalla sijaitsevan Mithrim Montes -vuoriston korkeimmat huiput on nyt saatu kartoitettua. Toinen kohoaa 2 807 metrin ja toinen peräti 3 337 metrin korkeuteen. 

"Se ei ole ainoastaan korkein huippu, jonka olemme tähän mennessä löytäneet Titanista, vaan arvelemme sen olevan korkein huippu, joka sieltä on ylipäätään löydettävissä", arvioi Stephen Hall Cassini-luotaimen tutkaryhmästä.

Titanin korkeimmat vuoret näyttävät keskittyvän nimenomaan päiväntasaajan tietämille. Mithrim Montes -vuoristossa on muita melkein yhtä korkeita huippuja, samoin maastonmuodoiltaan hyvin vaihtelevalla Xanadun alueella. Myös Euroopan avaruusjärjestön Huygens-luotaimen laskeutumispaikan lähistöllä on korkealle kurottavia vuoria. 

"Tavoitteemme on löytää korkeimpia ja syvimpiä kohtia osittain siksi, että se on kiinnostavaa. Titanin ääripaikat kertovat kuitenkin myös paljon tekijöistä, jotka ovat vaikuttaneet kuun kehitykseen", toteaa tutkimusta johtanut Jani Radebaugh.

Maan vuoret ja vuoristot sijoittuvat alueille, joilla geologiset voimat ovat nostaneet maankuorta ylöspäin. Toisaalta tuulten, sateiden ja virtaavan veden aiheuttama eroosio kuluttaa ja madaltaa aikaa myöten kohonneita alueita.  

Cassini-luotaimen havaintojen mukaan myös Titanissa on sateita, jotka kuluttavat sen pinnanmuotoja. Alhaisen lämpötilan seurauksena eroosio on siellä kuitenkin paljon hitaampaa kuin Maassa, 

Titanin jäisen kuoren alla on todennäköisesti nestemäisen veden muodostama syvä valtameri, joka vastaa Maan vaipan sulaa yläosaa. Sen virtaukset vaikuttavat kuoren rakenteeseen ja pinnanmuotoihin. Titanin jäästä koostuva "peruskallio" on meikäläistä vastinettaan pehmeämpi, joten kuun pinnalla ei voi olla yhtä korkeita vuoria kuin Maassa.

Titanista löytyneet vuoret ja vuoristot kuitenkin osoittavat, että siellä on käynnissä tektonisia prosesseja, jotka muokkaavat sen pintaa. Toistaiseksi tutkijoilla ei ole selvää käsitystä, mikä ne saa aikaan: Titanin pyörimisliike, Saturnuksen aiheuttamat vuorovesivoimat vai kuun pinnan jäähtyminen.

Titanin vuortenhuipuista kerrottiin JPL:n (Jet Propulsion Laboratory) uutissivuilla.

Kuva: NASA/JPL-Caltech/ASI 

Titan on Saturnuksen suurin kuu, ja jos se kiertäisi Aurinkoa yksistään, kutsuttaisiin sitä eittämättä planeetaksi. Se on suurempi kuin Merkurius ja olennaisesti kookkaampi kuin Kuu.

Planeettamaisen siitä tekee myös se, että Titanilla on paksu kaasukehä. Pääosin typestä koostuvan kaasukehän olemassaolo tiedettiin jo ennen avaruusluotaimien aikaa, mutta vasta lähelle pääseminen paljasti kunnolla Titanin salaisuuksia: sen pinnalla on vuoria ja laaksoja, ja niiden välissä enemmän ja vähemmän laajoja järviä. 

Cassini-luotaimen matkassa Saturnukseen lentänyt Huygens laskeutui vuonna 2004 kuun pinnalle ja kopsahti todennäköisesti vast'ikään kuivuneen järven pohjalle. Se oli kuin paahtovanukasta: kova, jäinen pinta ja höttöä ainetta sen alapuolella. Luotaimen lähettämät kuvat (kuten oikealla) paljastivat myös kerrassaan omituisen, punaruskean usvan verhoaman maailman.

Pinnalla näkyy kiviä, jotka eivät kuitenkaan ole kiviä, vaan vesijäätä.

Suurin osa Titanin pinnasta on jäätä, joka hyvin matalan lämpötilan (noin −180 °C) vuoksi on hyvin kovaa ja käyttäytyy kuin kallio täällä maapallolla. Se on siis kivikovaa jäätä, jota pinnalla virtaava neste kovertaa ja muokkaa samaan tapaan kuin vesi muovaa kiveä kotoisissa ympyröissä.

Pinnalla virtaava neste on hiilivetyjä, todennäköisesti pääasiassa metaania. Mukana voi olla myös hieman etaania. 

Ne käyttäytyvät Titanissa kuin vesi Maan päällä: nestemäisinä ne muodostavat järviä ja jokia  pinnalle, mutta niitä höyrystyy jatkuvasti myös ilmaan – tai siis kaasukehään – ja siellä ne muodostavat pilviä, sekä myös satavat alas pisaroina. 

Metaani myös jäätyy ja siitä muodostuu ajoittain jäätiköitä. Metaania voi suihkuta myös pinnan alta geysireinä ylös. 

Saturnusta kiertävä Cassini-luotain on tehnyt jättiläisplaneetan suurimmasta kuusta Titanista havaintoja, jotka kertovat talven olevan tulossa rytinällä.

Cassini kuvasi jo vuonna 2012 Titanin etelänavan yläpuolella noin 300 kilometrin korkeudessa leijailevan laajan pilvimuodostelman. Se ei kuitenkaan ole mitään verrattuna sen alapuolella 200 kilometrissä piileskelevään jääkidepilveen.

Pilvi saatiin kuvattua luotaimen infrapunaspektrometrillä, jolla pystytään tarkastelemaan Titanin tiheän kaasukehän eri kerroksia lämpösäteilyn aallonpituuksilla. Jääpilvi on varsin harva ja muistuttaa lähinnä maanpinnan läheisyydessä esiintyvää sumua.

Sekä korkeammalla oleva pilvimuodostelma että sen alla oleva jääkidepilvi ovat merkkejä Titanin eteläiselle pallonpuoliskolle koittavasta talvesta. Titanin vuodenajoilla on pituutta noin 7,5 vuotta, joten hyinen vuodenaika on jokseenkin kylmimmimmillään, kun Cassinin taival päättyy vuonna 2017.

Tosin siitä on kulunut jo 35 vuotta. 5. syyskuuta 1977 matkaan laukaistu luotain ohitti ensin Jupiterin 5. maaliskuuta 1979 ja puolisentoista vuotta myöhemmin, tarkemmin sanottuna 12. marraskuuta, rengasplaneetta Saturnuksen.

Etäisyyttä oli lähimmän ohituksen aikaan 124 000 kilometriä, mutta päivän kuvan Voyager 1 nappasi reilun viiden miljoonan kilometrin etäisyydeltä ollessaan jo loittonemassa jättiläisplaneetasta. Luotain ohitti myös Saturnuksen suurimman kuun Titanin ainoastaan 6 500 kilometrin etäisyydeltä. Kuun lähiohitus oli itse asiassa syynä siihen, että Saturnus jäi viimeiseksi planeetaksi, jota Voyager 1 tutki. 

Jo elokuussa 1977 lähetetty Voyager 2 -luotain ohitti Saturnuksen vasta elokuussa 1981, mutta jatkoi sen jälkeen vielä Uranukseen vuonna 1986 ja ohitti Neptunuksen kolmisen vuotta myöhemmin. 

Voyager 1 olisi voitu ohjata radalle, joka olisi vienyt sen kohti Plutoa, mutta Titanin ohilentoa pidettiin tärkeämpänä. Tuolloin Aurinkokunnan uloin planeetta, sittemmin kääpiöplaneetta Pluto, saikin sitten odottaa luotainvierasta aina vuoteen 2015 saakka.

Tällä hetkellä sinnikäs luotain on jo noin 20 000 000 000 kilometrin etäisyydellä Auringosta. Voyager 1 poistui heliosfääristä eli Auringon magneettikentän vaikutuspiiristä elokuussa 2012, jolloin siitä tuli ensimmäinen ihmisen lähettämä alus, joka saavutti tähtienvälisen avaruuden. Luotain lähettää edelleen tietoja ja sen odotetaan toimivan mahdollisesti vielä kymmenen vuoden ajan.

Saturnusta kiertävä Titan on Aurinkokunnan toiseksi suurin kuu. Merkuriusta kookkaampi kiertolainen häviää läpimitassa Jupiterin Ganymedekselle vain runsaat 100 kilometriä.

Titan on kuin syväjäädytetty muinainen Maa. Sillä on tiheä, pääosin typestä koostuva kaasukehä, jonka paine on noin puolitoista kertaa suurempi kuin maapallolla merenpinnan tasolla.

Jättiläiskuun pinnalla on meriä, järviä ja jokia, mutta noin -180 celsiusasteen lämpötilassa niissä ei lainehdi ja virtaa vesi, vaan metaani ja etaani. Saturnusta vuodesta 2004 kiertänyt Cassini-luotain on tutkinut myös Titania. Sen kuvien ja mittausten perusteella "vesistöjä" on erityisesti kuun napaseuduilla. 

Metaanin ja etaanin täyttämiä painanteita on kahdenlaisia: laajoja, satojen kilometrien läpimittaisia ja satojen metrien syvyisiä meriä, joihin laskee mutkittelevia jokia, sekä pienempiä ja matalampia järviä, jotka keskittyvät tasaisemmille alueille. 

Järviin ei yleensä laske jokia, joten niiden arvellaan täyttyvän sateista ja pinnan alta tihkuvasta nesteestä. Ajoittain osan järvistä on todettu kuivuvan vuodenaikojen vaihdellessa.

Painanteiden synty on kuitenkin ollut arvoitus. Ratkaisun jäljille on päästy vertailemalla Titanin järviä maapallon karstialueiden pinnanmuotoihin. Seuduilla, joilla esiintyy esimerkiksi kalkkikiveä, sadevesi syövyttää kallioperää. Seurauksena on erilaisia uurteita ja vajoamia, esimerkiksi syviä doliineja, jotka voivat olla läpimitaltaan satoja metrejä. 

Karstimuodostelmien syntyyn vaikuttaa kallioperän koostumus, sademäärä ja lämpötila, jotka ovat Maassa ja Titanissa hyvin erilaisia. Tutkijoiden mukaan pinnan painanteiden syntyprosessi voi silti olla yllättävän samanlainen näillä kahdella toisistaan poikkeavalla Aurinkokunnan kappaleella. 

Thomas Cornetin johtama ryhmä laski, kuinka kauan Titanissa havaittujen maastonmuotojen synty kestäisi. Tutkijat olettivat, että kuun pintaa peittää kiinteä orgaaninen aine, liuottimena toimivat nestemäiset hiilivedyt ja lämpötila on aikojen saatossa ollut Titanin nykyisten ilmastomallien mukainen – eli hyvin alhainen.

Tuloksena oli, että satametrisen painanteen synty veisi kuun sateisilla napa-alueilla noin 50 miljoonaa vuotta. Se vastaa käsitystä Titanin melko nuoresta pinnasta.  

"Totesimme liukenemisen olevan Titanissa noin 30 kertaa hitaampaa kuin Maassa, koska Titanin vuosi on pidempi ja siellä sataa vain kesäisin. Silti uskomme liukenemisen olevan suurin tekijä Titanin pinnanmuotojen muuttumisessa ja järvien synnyssä", Cornet arvioi.

Lähempänä Titanin päiväntasaajaa sataa vähemmän ja harvemmin, joten laskelmien mukaan painanteiden muodostuminen on siellä paljon hitaampaa ja kestää satoja miljoonia vuosia. Siksi niillä seuduilla ei juuri ole järviä.

Järvien synnystä kerrottiin NASAn uutissivuilla ja tutkimus julkaistiin Journal of Geophysical Research, Planets -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA

NASAn New Horizons -luotain lähestyy Plutoa ja ohittaa sen 40 vuorokauden kuluttua ja mielikuvitus hahmottelee jo kovasti sitä, mitä luotain tulee oikein kuvaamaan. Otsikkokuvana on Dan Durdan tekemä piirros siitä, miltä Pluto voisi näyttää nykytietojen mukaan.  Mutta yhtä tarkkoja oikeita kuvia saa vielä odottaa muutaman viikon ajan.

Pari metriä kanttiinsa oleva avaruusalus on lentänyt läpi aurinkokunnan lähes kymmenen vuoden ajan ja viilettää 14. heinäkuuta vain noin 12500 kilometrin etäisyydeltä. Lähimmillään nykyisin kääpiöplaneetaksi luokiteltavaa Plutoa luotain on klo 14:50 Suomen aikaa.

New Horizons on tehnyt aktiivisesti havaintoja Plutosta ja sen kuista jo usean kuukauden ajan. Sen ottamat kuvat ovat olleet maaliskuusta alkaen tarkempia kuin Maan luota Hubblen avaruusteleskoopilla tehdyt havainnot.

Saturnuksen suurin kuu Titan (kuvassa näkyvä pienempi kuu on Dione) on samankaltainen taivaankappale kuin Maa. Sillä on tiheä kaasukehä, joka koostuu suurimmaksi osaksi typestä kuten kotiplaneettamekin ilmakehä. Paine jättikuun pinnalla on noin kaksinkertainen verrattuna ilmanpaineeseen Maassa merenpinnan tasolla, mutta siihen yhtäläisyydet sitten jäävätkin.

Lämpötila on -180 celsiusastetta ja oranssinhohtoiselta taivaalta sataa nestemäistä ja “lumihiutaleiksi” kiteytynyttä metaania ja muita hiilivetyjä. Titan muistuttaa siis Maata hyvin vähän.

Titanin pinnalle langetessaan sade muodostaa järviä ja jokia, mutta myös laajoja dyynikenttiä. Nestemäistä vettä ei pinnan hyisissä oloissa voi esiintyä, mutta Saturnusta ja sen kuujärjestelmää vuodesta 2004 tutkineen Cassini-luotaimen mittaukset viittaavat siihen, että jäisen kuoren alla velloo vähintään kymmenien kilometrien syvyinen vedestä muodostunut meri.

Nyt ongelmaksi on muodostumassa juuri tuo jäinen kuori. Se ei ilmeisesti olekaan aiempien oletusten mukaisesti ohut ja joustava, vaan kiinteä ja jäykkä. Kuoren joustavuuden avulla on pystytty selittämään kuun muuttuvia maisemia ja tiheän kaasukehän ominaisuuksia. Uusien tulosten myötä tutkijoilla on sormi suussa.

Mitatessaan gravitaation eli vetovoiman suuruutta Titanin eri puolilla Doug Hemingwayn johtama tutkijaryhmä totesi, että se on hieman vähäisempi korkeiden maastonmuotojen kohdalla. Tulos oli yllättävä, sillä kukkuloiden ja vuorten kohdalla kuoren pitäisi olla paksumpi ja gravitaation siten hieman keskimääräistä suurempi.