Titan is de grootste maan van Saturnus, en op Ganymedes na de grootste van het zonnestelsel. Het is de enige maan waarvan bekend is dat deze een atmosfeer heeft die dichter is dan die van de Aarde, en het is het enige bekende hemellichaam in de ruimte – afgezien van de Aarde – waarvoor duidelijk bewijs bestaat dat er stabiele vloeibare materie voorkomt op het oppervlak. Titan wordt vaak omschreven als een planeetachtige maan; hij heeft een 50% grotere diameter en een 3,25 maal zo groot volume als de maan van de Aarde en heeft 80% meer massa. Met een diameter van 5150 km is hij groter dan de planeet Mercurius.
Titan bestaat voornamelijk uit ijs en rotsachtig materiaal, met een vaste kern van silicaat die omgeven wordt door verschillende lagen ijs en ammoniak-bevattend vloeibaar water. Het geologisch jonge oppervlak van Titan is overwegend glad, met weinig inslagkraters, hoewel er wel bergen en verschillende cryovulkanen zijn aangetoond. De atmosfeer van Titan is nevelig en bestaat voornamelijk uit stikstof en methaan. Het klimaat, dat wind en regen kent, heeft oppervlaktekenmerken gecreëerd die zeer vergelijkbaar zijn met die van de Aarde, zoals duinen, rivieren, meren en zeeën. De zeeën bestaan vermoedelijk uit vloeibaar methaan en ethaan.
De Nederlandse sterrenkundige Christiaan Huygens ontdekte Titan in 1655 met behulp van een telescoop die zijn broer Constantijn had gebouwd. Huygens noemde de maan Saturni Luna, Saturnusmaan. De Engelsman John Herschel doopte de maan in 1847 om tot Titan. Doordat de dikke atmosfeer het oppervlak van Titan permanent aan het zicht onttrekt, komt de kennis over deze Saturnusmaan vooral van het bezoek van ruimtesondes zoals de Voyagers en Cassini-Huygens.
Structuur Titan is de enige maan in het zonnestelsel met een dichte atmosfeer. Het bezoek van de Voyager 1 leerde dat het oppervlak permanent schuilgaat onder de 900 km dikke atmosfeer die een druk heeft van 1,5 bar aan het oppervlak, dat wil zeggen ongeveer anderhalf maal de luchtdruk op Aarde.About Saturn & Its Moons, NASA Jet Propulsion Laboratorium Tot 1980 werd vanwege deze dichte atmosfeer, die een deel van de maan zelf leek, aangenomen dat Titan de grootste maan in het zonnestelsel was.Bill Arnett (2005). Titan. Nine planets. University of Arizona, Tucson
miniatuur|links|upright=1.3|Inwendige structuur van Titan, met verschillende lagen ijs en een ondergrondse laag van vloeibaar water en vloeibaar ammoniak. De atmosfeer is dik en nevelig.
Qua massa en omvang is Titan wel te vergelijken met de twee grootste manen van Jupiter: Ganymedes en Callisto. Titan mag dan wel iets groter uitvallen dan de planeet Mercurius, hij bezit maar half zoveel massa. Op grond hiervan wordt vermoed dat Titan voor ongeveer de helft uit bevroren water en ammoniak bestaat. Waarschijnlijk bevindt zich onder de oppervlakte een oceaan van ammoniak en vloeibaar water, waar in principe enige vorm van leven mogelijk zou kunnen zijn. Het oppervlak zelf is in geologisch opzicht jong en ligt bezaaid met ijs van koolwaterstoffen.
De kern van Titan is rotsachtig en bestaat uit silicaten en metalen en is zo'n 3800 km in diameter. De structuur van Titan lijkt daarmee sterk op die van de andere Saturnusmanen Dione en Enceladus, maar als gevolg van gravitationele compressie heeft Titan een hogere gemiddelde dichtheid. De zwaartekracht aan het oppervlak van Titan is ongeveer één zevende van de Aardse zwaartekracht. Hoewel Titan groter is dan onze Maan is de zwaartekracht er aan het oppervlak iets zwakker. Dit komt doordat Titan voor een groot deel uit ijs bestaat, wat een relatief lage dichtheid heeft vergeleken met het gesteente en de metalen waaruit de Maan is opgebouwd.
De buitenste laag of korst bestaat waarschijnlijk uit ijs in de hexagonale kristalvorm. Volgens modellen voor het inwendige van Titan bevindt er zich onder deze korst een maximaal 200 km diepe oceaan van vloeibaar water en vloeibaar ammoniak. Dankzij de aanwezigheid van vloeibaar ammoniak zou het water hier zelfs bij −19 °C vloeibaar kunnen blijven.Alan Longstaff (februari 2009). Is Titan (cryo)volcanically active?. Astronomy Now: 19. Wetenschappers hoopten met behulp van Cassini definitief bewijs voor deze oceaan te vinden door het zwaartekrachtsveld en magnetische afwijkingen te meten. Door Cassini waargenomen Extremely Low Frequency-radiogolven in de atmosfeer van Titan zijn de eerste aanwijzingen dat de oceaan echt bestaat, omdat het heel goed mogelijk is dat deze radiogolven in werkelijkheid afkomstig zijn van het grensgebied tussen de ijskorst en het vloeibare gedeelte in het inwendige van Titan.Titan's Mysterious Radio Wave. Jet Propulsion Laboratory. 1 juni 2007. https://web.archive.org/web/20070603142552/http://saturn.jpl.nasa.gov/news/features/feature20070601c.cfm. Retrieved 2007-06-02.
Baan en draaiing miniatuur|Titans baan (aangegeven in rood) tussen de overige grotere binnenmanen van Saturnus. De manen buiten de baan van Titan zijn (van links naar rechts) Iapetus en Hyperion; de manen binnen de baan van Titan zijn Dione, Tethys, Enceladus en Mimas.
Titan draait in 15 dagen en 22 uur om Saturnus. Dit is zoals dat ook bij de Maan van de Aarde het geval is, ongeveer gelijk aan de omwentelingsperiode van Titan om zijn as. Dit is een normaal verschijnsel bij natuurlijke satellieten die zich in een stabiele baan rond een planeet bevinden. Getijdenkrachten veroorzaken interne wrijving, waarbij rotatie-energie zich omzet in interne warmte. Een maan gaat zich verder van zijn planeet af bewegen en de aswentelingperiode benadert steeds meer de omwentelingsperiode. Er bestaat een speciale Darische kalender om de tijd op Titan bij te houden.The Darian Calendar for Titan
De baanexcentriciteit van Titan bedraagt 0,0288, en de baan helt 0,348° ten opzichte van de evenaar van Saturnus. Gezien vanaf de Aarde staat Titan tijdens grootste elongaties ongeveer 20 Saturnus-boogstralen (net iets meer dan 1,2 miljoen kilometer) van Saturnus en vertoont een schijf met een hoekdiameter van 0,8 boogseconden.
Titan heeft de kleine, onregelmatig gevormde satelliet Hyperion gevangen in een 3:4 baanresonantie. Dit wil zeggen, dat Hyperion drie keer rond Saturnus draait in dezelfde tijd dat Titan vier omwentelingen rond Saturnus beschrijft. Een langzame en geleidelijke evolutie van de resonantie, waarbij Hyperion gemigreerd zou zijn vanuit een chaotische baan, lijkt volgens theoretische modellen onwaarschijnlijk. Hyperion is waarschijnlijk in een stabiele baan gevormd, waarbij Titan andere objecten die te dichtbij kwamen uit hun baan deed afwijken of deed inslaan op Titan.
Atmosfeer
miniatuur|De grote wolk van ethaan en andere koolwaterstoffen in de stratosfeer boven de noordpool
De atmosfeer van Titan is immens en lijkt in de hogere lagen in dynamisch opzicht op die van Venus. Net als bij Venus roteert de atmosfeer sneller rond de maan dan de eigen rotatiesnelheid.Wind or Rain or Cold of Titan's Night?. Astrobiology Magazine. 11 maart 2005. Super-rotator :: Astrobiology Magazine :: Search for Life in the Universe. (gearchiveerd) Geraadpleegd op 2007-08-24. Dit noemt men een superroterende atmosfeer. De wind waait er met snelheden tot 400 kilometer per uur. De atmosfeer van Titan vertoont ook weersverschijnselen als onweer en regen, waardoor er aan de polen meren en zeeën van methaan en ethaan zijn ontstaan.
De dikke atmosferische laag rond Titan werd voor het eerst opgemerkt in 1903 door de Spaanse astronoom Josep Comas Solà, die een randverduistering bij Titan vermoedde.P. Moore, G. Hunt, I. Nicolson, P. Cattermole (1990). The Atlas of the Solar System, . Dit vermoeden werd in 1944 definitief bevestigd door Gerard Kuiper, wiens spectroscopische waarnemingen er tevens op leken te wijzen dat de partiële druk van het methaangas ongeveer 100 millibar (10 kilopascal) bedroeg.G. P. Kuiper (1944). Titan: a Satellite with an Atmosphere. Astrophysical Journal 100: 378. doi:10.1086/144679. http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-bib_query?bibcode=1944ApJ...100..378. In de jaren 1970 werd echter vastgesteld dat de hoeveelheid methaan in Titans atmosfeer zeker tien keer zo hoog was, terwijl de druk aan de oppervlakte zeker twee keer zo hoog was, hetgeen betekende dat het methaan slechts een klein deel van Titans atmosfeer kon vormen.Athéna Coustenis, F. W. Taylor. Titan: An Earth-like Moon. World Scientific. p. 10-12. http://books.google.co.uk/books?hl=en&lr=&id=tfME31MfhSMC&oi=fnd&pg=PR11&dq=%22pioneer+11%22+titan+atmospheric+pressure&ots=zrVWhX61FI&sig=ShAJlkom-6nsJZE46_1MbTOp18c#v=onepage&q=&f=false. Retrieved 2009-11-13. Waarnemingen van de Voyager 1 in 1980 bevestigden dat de druk aan de oppervlakte 1,5 bar was en dat het oppervlak geheel aan het zicht werd onttrokken.Coustenis & Taylor pp. 26-27
Chemische samenstelling De samenstelling van Titans atmosfeer is in de stratosfeer 98,4% stikstof en 1,6% methaan en kleine hoeveelheden andere gassen (de zogenaamde spoorgassen): met name koolwaterstoffen, in het bijzonder ethaan en daarnaast vast acetyleen, diacetyleen, propyn, ethyn, vloeibaar propaan, cyanoacetyleen, vast waterstofcyanide, koolstofdioxide, koolstofmonoxide, oxalonitril, argon en helium.H. B. Niemann, et al. (2005). The abundances of constituents of Titan’s atmosphere from the GCMS instrument on the Huygens probe. Nature 438: 779–784. doi:10.1038/nature04122.
Samen met de 95% stikstof en 5% methaan aan het oppervlak doet dit alles denken aan de Aardse oeratmosfeer met weinig vrije zuurstof. Op Titan zelf komt een overvloed van complexe organische moleculen en nitrilen voor. Carl Sagan voerde daarvoor de verzamelnaam tholines in. Ze ontstaan door wisselwerking van de zonnewind en de ultraviolette straling van de Zon met het methaan en de stikstof in de bovenste atmosfeerlagen. Ethaan-moleculen vormen zich het meest. De ontstane organische moleculen en nitrilen vormen een dikke smoglaag hoog in de atmosfeer. Hier worden ook ingewikkelder chemische verbindingen (mogelijk tholines) gevormd. De diverse koolwaterstoffen in de atmosfeer zijn waarschijnlijk ontstaan uit reacties die plaatshadden nadat het methaan door de ultraviolette straling van de zon eerst was afgebroken. Hierdoor komt Titans atmosfeer vermoedelijk aan zijn karakteristieke oranje kleur.Baez, John (25 januari 2005). This Week's Finds in Mathematical Physics. University of California, Riverside. https://web.archive.org/web/20120208114737/http://www.math.ucr.edu/home/baez/week210.html. Retrieved 2007-08-22.J. H. Waite, Jr., D. T. Young, T. E. Cravens, A. J. Coates, F. J. Crary, B. Magee, and J. Westlake (2007). The Process of Tholin Formation in Titan's Upper Atmosphere. Science 316: 870. doi:10.1126/science.1139727.
De dikke atmosferische laag onttrekt het eigenlijke oppervlak van Titan aan het zicht vanuit de ruimte. Cassini's isotopenonderzoek heeft aangetoond dat het stikstof in de atmosfeer afkomstig is van ammoniak uit het inwendige van Titan.A.D. Fortes (2000). Exobiological implications of a possible ammonia-water ocean inside Titan. Icarus 146 (2): 444–452. doi:10.1006/icar.2000.6400.
Magnetisch veld Titan heeft geen eigen magnetisch veld, en is als gevolg hiervan (vrijwel) direct blootgesteld aan de zonnewind wanneer hij gedurende korte tijd buiten de magnetosfeer van Saturnus treedt (al bleek in 2008 wel dat Titan dan resten van het magnetische veld van Saturnus vasthoudtSaturn's Magnetic Personality Rubs Off on Titan. NASA/JPL. 2008. https://web.archive.org/web/20090520090330/http://saturn.jpl.nasa.gov/news/features/feature20080911.cfm. Retrieved 2009-04-20.). De blootstelling aan de zonnewind kan leiden tot ionisatie van sommige moleculen in de bovenste lagen van de atmosfeer, waardoor deze aan de atmosfeer worden onttrokken.