タイタン (衛星)
ホイヘンスは1655年に、De Saturni Luna Observatio Nova(土星の衛星の初観測)を出版し、そこで彼の発見した衛星をSaturni Luna (またはLuna Saturni、ラテン語で「土星の衛星」の意)と命名した。ジョヴァンニ・カッシーニが1673年から1686年の間に発見した土星(Saturn)の4つの衛星を公表した後、タイタンとこれらの4つの衛星にはSaturn IからVまでの番号が付与された(タイタンは4番目)。初期にはSaturn's ordinary satelliteという別名もあった。それ以来、数多くの小さな衛星が土星のより近くに発見されている。土星の新たな衛星が発見されるたびに、タイタンの番号は「第2衛星」→「第4衛星」→「第6衛星」と変更が重ねられてきた。1789年の「第1衛星」ミマスと「第2衛星」エンケラドゥス発見以後は、更なる新発見による混乱を避けるため、この番号制は凍結されることになり、公式にはタイタンは「Saturn VI」(第6衛星)と呼ばれる。
タイタンは肉眼で観望することはできないが、小さな望遠鏡や強力な双眼鏡を用いれば観測することができる。アマチュアによる観測ではタイタンは明るく輝く土星本体と環の近くにあるため観測することは難しいが、接眼レンズの一部を覆い、明るい惑星を隠すための遮蔽棒(Occulting bar)を用いると、視覚は大幅に改善される。タイタンの最大視等級は8.2等で、平均視等級は8.4等である。これと比較して、大きさが似通っている木星の衛星ガニメデは4.6等である。
宇宙時代以前のタイタンに関する観測は限られていた。1908年、スペインの天文学者ホセ・コマス・ソラは、タイタンの表面に大気が存在していることを示す初めての証拠である周縁減光を観測した。1944年には、ジェラルド・カイパーが分光観測を用いてタイタンの大気内のメタンを検出した。
土星系を最初に訪れた探査機は、1979年に到着したパイオニア11号だった。パイオニア11号の観測により、タイタンは生物の存在を支えるにはあまりにも低温であることが明らかになった。
実験室でのシミュレーションでは、地球上で生命を誕生させたと考えられるものに類似した化学進化を開始させるのに十分な量の有機物がタイタンに存在しているということが示唆されている。この類推は現在観測可能な期間よりも長期間に渡る液体の水の存在を前提としているが、いくつかの理論では、衝突により発生した液体の水は凍結した隔離層の下に保存されることが示唆されている。また、液体アンモニアの海が地下深くに存在する可能性があることも理論化されている。別のモデルでは、氷近くの下の深さ200 kmにアンモニア水が存在しており、地球の基準では極端な環境ではあるが、生命が生き残ることができる環境であることが示唆されている。内部と上層の間の伝熱は、地下深部の海洋の生命を維持する上で重要となりうる。タイタンでの微生物のような生命の検出は、大気中のメタンと窒素の調査による生命活動の痕跡に依存するだろう。
タイタンの赤道域にはやはり凍った水や有機物の氷でできた砂粒が風で運ばれて作られた砂丘があり、上空から見ると縞模様になって見える。この砂丘の尾根は大きいものでは100 km以上の長さを持ち、高低差は100-150 mに達する。
探査ではタイタンの表面は比較的滑らかであることが示されており、おそらく炭化水素の雨や火山活動によって埋められたクレーターと思われる地形が見える。レーダー高度計の観測によると、標高差は低く一般的には150 m以下であることが示されている。しかし、中には標高差が500 m以上の地形もあり、標高数百mから1,000 mに達する山脈も存在している。
タイタンの表面は明確に、明るい地形と暗い地形の2つの領域に大きく区分される。明るい地形には、赤道付近のザナドゥ(Xanadu)と呼ばれる広大な高アルベド地形(反射能の高い地形)が含まれており、その大きさはオーストラリア大陸ほどもある。ザナドゥは1994年にハッブル宇宙望遠鏡による赤外線観測で初めて確認され、後にカッシーニでも観測された。ザナドゥは丘で覆われており、その表面を谷や割れ目が横切っている。ザナドゥは非常に起伏が激しく、暗い線が十字に交叉しており、尾根やクレバス、更には河川に似た曲がりくねった地形が見られる。このザナドゥの地形の形成を地質活動によるものとすれば、ザナドゥは地質学的に若い地形であることになる。一方で、この線状の地形が地質活動ではなく液体によって形成された水路である可能性もあり、そのように想定する場合は流水系が古い地形を横断していることになる。同じような暗い地形はタイタンの他の部分でも観測されており、地上からやカッシーニによって観測されている。
生物学的仮説を繰り返し述べているものの、彼は水素とアセチレンの発見に関して、未確認の物理的もしくは化学的プロセス(例えば炭化水素または水素を受けいれる表面触媒)や、物質の流れに関する現在のモデルの欠陥といった、他の可能性がより高いということを指摘している。組成のデータや輸送モデルなどは立証される必要がある。しかし、非生物学的な触媒によって生成されたとする説明は生物学的な由来と考えるよりも衝撃的なものではないとしながらも、McKayは96 K (-180°C) の低温で有効な触媒の発見は依然として重要なものであると述べている。
NASAは2010年6月の調査計画に関するニュース記事で「これまでのところ、メタンをベースとした生命体は仮説に過ぎない。科学者達はこの種の生命体をどこにおいても検出していない」と述べた。一方、NASAの声明は「科学者達の中には、これらの化学的特徴はタイタンの表面における原始的でエキゾチックな生命体、あるいは生命の前駆体の議論を補強するものであると考える者もいる」とも述べている。
2015年2月には、タイタンの条件下で、液体メタンで機能する仮想の細胞膜がモデル化された。炭素、水素、窒素を含む小分子で構成されており、リン脂質、炭素化合物、水素、酸素、リンから構成される地球上の細胞膜と同じく安定性と柔軟性を持つ。この仮説的な細胞膜はアゾトソーム(Azotosome)と呼ばれており、"azote"はフランス語で「窒素」、リポソーム(Liposome)と同じく"soma"はギリシャ語で「体」を意味している。
その後の2014年に発表された科学的分析で、タイタンにある3つの海の深さをより完全に調べたところ、最大深度が200 m以上あることが示された。リゲイア海の平均深度は20 mから40 mだが、リゲイアの他の部分では全くレーダーを反射しておらず、深度が200 m以上あることを示している。
2013年5月、カッシーニのレーダー高度計はヴィド溝(Vid Flumina)の水路を観測し、これがタイタンで2番目に大きな炭化水素の海であるリゲイア海に繋がっている流水構造であると定義づけられた。受信されたエコーの解析では、水路は急斜面で深い(最大で570 m)渓谷に位置しており、液体で満たされていることを示す強い鏡面反射が示された。これらの水路内の液体の水位上昇は、リゲイア海と同じく垂直方向に約0.7 m以内で、これは冠水した河谷であるという解釈と一致する。鏡面反射は、リゲイア海の水位を超えた低示の支流でも観測され、主水路構造への水の供給と一致している。これはおそらく、液体水路の存在を示す初めての直接的な証拠であり、またタイタンで初めて観測された100 m以上の深度を持つ渓谷であろう。ヴィド溝は、このように深い海で冠水しているが、より高い地表にある液体の存在を証明するために、いくつかの独立した観測が行われている。
カッシーニは、2006年から2011年にかけてタイタンを6回フライバイした間、タイタンの放射測定追跡と光学ナビゲーションデータの収集を行った。
ボイジャーによってもたらされたデータでさえ、タイタンは大気圏の中の詳細な観測が困難な、謎に包まれた大型衛星とされていた。17世紀の観測以来、タイタンを取り巻いていた謎は、クリスティアーン・ホイヘンスとジョヴァンニ・カッシーニの名がとられた探査機によって明らかにされた。
カッシーニは2004年7月1日に土星に到着し、レーダーでタイタンの表面の地図を作成する観測を開始した。欧州宇宙機関(ESA)とアメリカ航空宇宙局(NASA)の共同プロジェクトであるカッシーニは大きな成功を収めた。カッシーニは2004年10月26日にタイタンの上空わずか1,200 kmを飛行し、肉眼では見えない表面の明暗の斑点の、最高解像度の画像を撮影した。
2006年7月22日、カッシーニは初めてタイタンを目標とした近接フライバイを行い、タイタンの上空950 kmまで接近した。最もタイタンに接近したフライバイは2010年6月21日に行われ、880 kmまで接近した。カッシーニによる探査で。北極付近の湖や海に、大量の液体が存在していることが明らかになった。
南極の近くでは謎めいた暗い地形が確認され、オンタリオ湖(Ontario Lacus)と命名された(後に湖であることが確認された)。北半球の高緯度地帯でも全長数kmから300 kmまでの規模の大小様々な湖が発見され、海岸線の可能性がある地形もレーダー観測を通じて極付近に確認された。
2006年7月22日のフライバイに続いて、カッシーニは当時冬だった北緯度で、極付近にいくつかの大きく滑らかな(レーダーでは暗い)区画を撮影した。2007年1月に科学者は観測に基づいて、「土星の衛星であるタイタンに、メタンで満たされた湖が存在している決定的な証拠」を発表した。カッシーニのミッションチームは、撮影された地形はほぼ確実に長期間に渡って存在している炭化水素の湖で、地球外で初めて発見された、安定して表面に存在している液体であると結論付けた。中には、液体に関連していると思われる水路もあり、地形の窪みに存在している。液体の浸食による地形は比較的新しいように見え、いくつかの河川では驚くほど浸食を受けておらず、タイタンの浸食が進むのが非常に遅いか、あるいは最近いくつかの地理的現象が古い河床や地形を一掃した可能性がある。カッシーニの観測では湖は表面のごくわずかしか覆っておらず、タイタンは全体的に地球よりもかなり乾燥している。ほとんどの湖は(太陽光が相対的に少ないため蒸発しにくい)極付近に集中しているが、いくつかの長年の研究により、赤道付近の砂漠地域でも炭化水素の湖が発見されている。
タイタンには極地方、特に北半球を中心に大小様々な湖(海、 Mare)がある。タイタンで最も大きい湖は北半球にある直径1,170 kmのクラーケン海(Kraken Mare)で、面積は40万 km もあり、これは日本列島の総面積よりも大きい。これに次いでタイタンで2番目に大きな湖であるリゲイア海(Ligeia Mare)は、ほぼ純粋なメタンで満たされた海(湖)であるとされる。他に代表的な湖としてプンガ海などがある。これらの湖はかつては大気組成などから存在が推測されていただけであったが、現在では直接その存在が確認されている。
タイタンに炭化水素の湖または海が存在している可能性はボイジャー1号と2号のデータに基づいて初めて示された。この時の観測データは、タイタンがそれを保つのにおおむね適した温度と組成の厚い大気を持っていることを示していた。だが、直接的な証拠は1995年にハッブル宇宙望遠鏡とその他の観測によって初めて得られた。これらはタイタン上に相互に繋がっていないばらばらの水域か、または衛星全域に広がる海洋の規模で、地球における水のように液体のメタンが存在することを示唆していた。カッシーニは、ボイジャーの観測に基づく仮説を実証することに成功した。カッシーニが2004年に土星系に到着した際、炭化水素の湖や海の水面から反射した太陽光が検出されることが期待されたが、初回の調査では鏡面反射は観測されなかった。しかしその後の観測で、タイタン各地に液体メタンによる湖が発見された。