W doktrynie obowiązującej w epoce przedgalileuszowskiej ciała niebieskie miały idealny kształt kuli, a ich orbity – okręgu. Galileusz ujął im nieco doskonałości, odkrywając góry na Księżycu i plamy na Słońcu, ale prawdopodobnie nie wiedział jeszcze wtedy, że kilka lat wcześniej Kepler poczuł się zmuszony do zastąpienia orbitalnych okręgów elipsami. Wkrótce jednak i on przekonał się o całkowitym nieprzystawaniu dawnych wyobrażeń do rzeczywistości. Gdy w lipcu 1610 r. Galileusz skierował swoją lunetę na Saturna, zobaczył coś tak niezwykłego, że musiał upewnić się, iż to nie złudzenie. Potrzebował na to czasu, ale obawiał się utraty pierwszeństwa na rzecz kogoś, kto niezależnie zaobserwowałby to samo. Aby temu zapobiec, zgodnie z ówczesnym zwyczajem, rozpowszechnił wiadomość o odkryciu zaszyfrowawszy ją w anagramie. Zainteresowani nią otrzymali, z pozoru bezsensowny, ciąg 37 liter „s m a i s m r m i l m e p o e t a l e u m i b u n e n u g t t a u i r a s”, z których można było ułożyć komunikat „altissimum planetam tergeminum observavi” (najwyższą planetę zaobserwowałem jako potrójną). Nie udało się to jednak nikomu aż do chwili, w której jawnym tekstem ogłosił rzecz sam autor.
Planeta z uszami
Na pierwszy rzut oka w odkryciu Galileusza nie było sensacji. Obserwowany przez niego kilka miesięcy wcześniej Jowisz okazał się planetą nawet „popiątną” – miał czworo małych towarzyszy, którzy krążyli wokół niego jak planety wokół Słońca. Dwaj towarzysze Saturna zachowywali się jednak zupełnie inaczej: tkwili symetrycznie po obu stronach planety, w ogóle się względem niej nie przesuwając. Ale był to dopiero wstęp do rzeczy jeszcze dziwniejszych i jeszcze bardziej niezrozumiałych. W 1612 r. obaj tajemniczy towarzysze zniknęli. Przez jakiś czas Saturn był okrągły jak każda przyzwoita planeta, ale gdy Galileusz obejrzał go w 1616 r., zdumiał się ponownie. Po obu stronach planetarnej tarczy widać było teraz coś w rodzaju uszu.
40 lat później zagadkę metamorfoz Saturna rozwiązał Christiaan Huygens, holenderski matematyk, fizyk i astronom. Dysponując sprzętem znacznie lepszym od lunet Galileusza, stwierdził, że planetę tę otacza szeroki, lecz cienki pierścień, który niekiedy ustawia się bokiem do obserwatora na Ziemi i staje się praktycznie niewidoczny. Odkrył też o wiele mniejszy od Saturna obiekt, krążący wokół niego w znacznej odległości od zewnętrznego brzegu pierścienia. Glob ten, znany dziś jako Tytan, jest jednym z najbardziej fascynujących obiektów Układu Słonecznego.
W latach 1671–84 Giovanni Cassini, pierwszy dyrektor Obserwatorium Paryskiego, odkrył cztery wyraźnie mniejsze od Tytana księżyce Saturna (Japeta, Reę, Tetydę i Dione), a także nazwaną później jego imieniem przerwę oddzielającą wewnętrzny pierścień od zewnętrznego. Kolejne odkrycia przypadły w udziale Williamowi Herschelowi, nadwornemu astronomowi angielskiego króla Jerzego III i znakomitemu konstruktorowi nie lunet już, ale prawdziwych teleskopów. W 1789 r., posługując się olbrzymim jak na owe czasy teleskopem o średnicy 48 cali, dostrzegł on dwa jeszcze mniejsze księżyce Saturna – Mimasa oraz Enceladusa, który w epoce lotów kosmicznych miał okazać się jedną z największych niespodzianek planetologii.
Dziś znamy już ponad 60 księżyców upierścienionej planety. Największym członkiem tej licznej rodziny pozostaje Tytan. W Układzie Słonecznym jest on drugim co do wielkości księżycem po jowiszowym Ganimedzie i jedynym księżycem otoczonym gęstą atmosferą. Te unikatowe cechy od dawna intrygowały nie tylko astronomów – to właśnie na Tytanie ginie bohater książek Stanisława Lema, pilot Pirx.
Kuiper znajduje atmosferę
Pierwsze wzmianki o prawdopodobnym istnieniu atmosfery Tytana pochodzą z początków XX w., ale za jej odkrywcę uważany jest amerykański astronom Gerard Kuiper, który w 1944 r. zidentyfikował jej pierwszy składnik – metan. W 1979 r. obok Saturna przeleciała sonda Pionier 11, fotografując m.in. Tytana. Niestety, na zdjęciu widać było tylko niewielką kulę spowitą gęstymi gazami o pomarańczowym zabarwieniu. Niewiele lepiej powiodło się rok później sondzie Voyager 1, mimo iż tor jej lotu zaprojektowano tak, by przeleciała zaledwie 4 tys. km od powierzchni Tytana. Udało się jednak wtedy stwierdzić, że głównym składnikiem nieprzezroczystej atmosfery jest azot i że ciśnienie u jej podstawy przewyższa o połowę nasze atmosferyczne na poziomie morza. Brzmiało to swojsko, ale do spacerów po Tytanie zniechęcał całkowity brak tlenu połączony z temperaturą na poziomie –180 °C.
W pierwszej połowie lat 90. astronomowie spenetrowali pomarańczową mgłę za pomocą kosmicznego teleskopu Hubble’a i dużych teleskopów naziemnych pracujących w podczerwieni. Ich oczom ukazały się niewyraźne zarysy czegoś, co można było uznać za kontynenty. Ani z Ziemi, ani z orbity wokółziemskiej nie można było dostrzec nic więcej, ale NASA i Europejska Agencja Kosmiczna ESA budowały już przeznaczoną do badań Saturna i jego księżyców sondę Cassini. Jej prawie siedmioletnia podróż przez układ planetarny rozpoczęła się 15 października 1997 r. na przylądku Canaveral, a zakończyła 1 lipca 2004 r. ryzykownym przelotem przez pierścienie i wejściem na orbitę wokół planety.
Cas na wielkie odkrycia
Na pokładzie Cassiniego znajdował się lądownik Huygens, który 25 grudnia 2004 r. oddzielił się od macierzystej sondy i po niecałych trzech tygodniach samodzielnego lotu opadł na spadochronie na powierzchnię Tytana. Osiadł na równinie przypominającej zasłaną otoczakami ziemską plażę, do której przylegał pagórkowaty teren, poprzecinany krętymi wąwozami. Huygens dokładnie zbadał atmosferę Tytana – stwierdził też, że teren w miejscu lądowania jest przesiąknięty ciekłym metanem.
Dalszych informacji dostarczyła nam sonda Cassini, która, krążąc wokół Saturna, przeleciała w pobliżu Tytana już 68 razy (po raz ostatni 20 maja). Jej radar i kamery podczerwone dowiodły, że ten zmrożony świat jest bardzo daleki od monotonii i martwoty. Są tu łańcuchy górskie, pagórkowate wyżyny i pustynne równiny z polami wielkich wydm. Liczne rzeki wpadają do wielkich jezior z bogato rozczłonkowaną linią brzegową i archipelagami wysp, a z gęstych chmur leją się rzęsiste deszcze. Zupełnie jak na Ziemi, chciałoby się powiedzieć. To prawda, ale na powierzchni Tytana woda występuje wyłącznie w postaci lodowych skał, tak twardych jak nasze granity, a jedyną cieczą jest tam mieszanina skroplonego metanu i etanu. Tamtejszy piasek to mieszanina drobnych ziaren lodu wodnego i zestalonych cięższych węglowodorów, które tworzą się z metanu w górnych warstwach atmosfery dzięki skomplikowanym reakcjom, indukowanym przez ultrafioletowe promieniowanie Słońca. Największe z odkrytych dotąd metanowych jezior – Kraken Mare – prawdopodobnie dorównuje powierzchnią Morzu Kaspijskiemu, zaś największa z węglowodorowych pustyń – ziemskiej pustyni Namib.
Podobnie jak na Ziemi, na Tytanie prawie nie ma kraterów uderzeniowych. Dowodzi to, że mimo niewielkiej masy jest on aktywny geologicznie. Planetolodzy (którzy, nawiasem mówiąc, poprawnie przewidzieli skład tamtejszej cieczy) podejrzewają, że pod jego zestaloną skorupą znajduje się głęboki ocean prawdziwej wody, którego przypływy i odpływy deformują powierzchnię globu, wspomagając toczące się na niej procesy erozyjne. Cassini stara się teraz zweryfikować tę hipotezę, dokładnie badając pole grawitacyjne Tytana.
Wielka obfitość związków organicznych w atmosferze i na powierzchni tego dalekiego globu sprawia, że przynajmniej w teorii mogą tam powstawać substancje prebiotyczne, m.in. bogate w azot heteropolimery (tzw. toliny) oraz zasady azotowe i aminokwasy. Niestety, Cassini nie ma przyrządów, które umożliwiłyby zbadanie tych fascynujących możliwości, a następna wyprawa, której plany krystalizują się teraz w NASA i ESA, dotrze do Saturna nie wcześniej niż w 2030 r.
Jeszcze dziwniejszy księżyc
Tytan sprawił naukowcom dużą niespodziankę, ale z jeszcze większym zaskoczeniem powitali dane napływające z Enceladusa. Ten niewielki księżyc o średnicy 500 km zwracał uwagę swoją olśniewającą bielą (wśród zbadanych ciał Układu Słonecznego to właśnie on ma największą zdolność odbijania światła). Podejrzewano go też o jakieś związki z otaczającym Saturna rozległym, lecz bardzo słabo świecącym pierścieniem E, odkrytym w 1967 r. przez Waltera Feibelmana z Allegheny Observatory w Pensylwanii. Ponieważ planetolodzy byli pewni, że wszystkie ciała o tak małych rozmiarach są geologicznie martwe, Enceladus nie plasował się wysoko na liście naukowych priorytetów Cassiniego. Szybko jednak okazał się spektakularnym wyjątkiem od tej reguły.
W lipcu 2005 r. sonda przeleciała nad nim na wysokości 125 km, odkrywając „oazę ciepła” o temperaturze około 15 °C wyższej od oczekiwanych – 200 °C. Co dziwniejsze, ten anomalnie ciepły obszar rozciągał się nie przy równiku, lecz wokół bieguna południowego. Kamery Cassiniego ujrzały tam pole pełne lodowych bloków wielkości sporych domów, które przecinały głębokie szczeliny długości ponad 100 km, wyglądające na świeże pęknięcia tektoniczne i wyraźnie cieplejsze od otoczenia. Jakby tego wszystkiego było mało, okazało się, że Enceladus ma atmosferę składającą się głównie z pary wodnej i wodoru cząsteczkowego. W listopadzie 2005 r. Cassini sfotografował zasilające ją strugi gazów i drobnych kryształków lodu. Większość tego materiału ulatywała jednak w przestrzeń kosmiczną i rozpraszała się w pierścieniu E.
12 marca 2008 r. sonda przeleciała zaledwie 23 km nad południowym biegunem Enceladusa, przecinając jedną ze strug. Jak się tego spodziewano, biły one z odkrytych wcześniej szczelin. Nowością było to, że wykryto w nich związki organiczne, m.in. metan, propan i formaldehyd. Temperatura zmierzona w miejscach wytrysku strug pobiła wszelkie poprzednie rekordy, sięgając –100 °C. 23 lipca 2009 r. w „Nature” ukazał się artykuł podsumowujący zebrane dotychczas informacje. Jego autorzy – międzynarodowy zespół fizyków, chemików i planetologów – uważają, że pod powierzchnią Enceladusa kryje się duży zbiornik słonej wody, która okresowo wytryskuje na zewnątrz pod działaniem sił pływowych (te same siły działające w układzie Ziemia–Księżyc są przyczyną przypływów i odpływów oceanicznych). Jest też całkiem prawdopodobne, że w reakcjach zachodzących w takim izolowanym, ciepłym środowisku powstają związki równie skomplikowane jak na Tytanie. Pozostaje zagadką, dlaczego wysoką aktywność utrzymuje właśnie Enceladus, a nie krążący bliżej Saturna i poddany większym siłom Mimas? Być może rozwiążą ją następne przeloty sondy, z których najbliższy jest przewidziany na 13 sierpnia. Czasu na dalsze badania jest sporo, ponieważ NASA uzyskała fundusze na przedłużenie niezwykle udanej misji Cassiniego do 2017 r.