Źródło zdjęcia: ESA
Aby utrzymać życie, jakie znamy, potrzeba co najmniej trzech elementów: wody, energii i atmosfery. Wśród Marsa i księżyców wokół Jowisza i Saturna istnieją dowody na jeden lub dwa z tych trzech elementów, ale mniej jest znanych, jeśli dostępny jest pełny zestaw. Tylko księżyc Saturna, Titan, ma atmosferę porównywalną z ziemską pod ciśnieniem i jest znacznie grubszy niż marsjański (1% ziemskiego ciśnienia na poziomie morza).
Najbardziej interesującym punktem na temat symulacji zamglenia węglowodorów Tytana jest to, że ten smogowy składnik zawiera cząsteczki zwane tholinami (od greckiego słowa „błotniste”), które mogą tworzyć fundamenty budulca życia. Na przykład aminokwasy, jeden z budulców ziemskiego życia, powstają, gdy te czerwono-brązowe cząstki podobne do smogu są umieszczane w wodzie. Jak zauważył Carl Sagan, Tytan może być postrzegany jako szeroka równoległa do wczesnej atmosfery ziemskiej pod względem chemicznym i w ten sposób z pewnością ma on związek z początkami życia.
Tego lata, statek kosmiczny Cassini NASA, wystrzelony w 1997 roku, ma okrążyć Saturn i jego księżyce przez cztery lata. Na początku 2005 r. Sonda Huygens piggybacking ma zanurzyć się w mglistej atmosferze Tytana i wylądować na powierzchni Księżyca. Na orbicie statku kosmicznego Cassini znajduje się 12 instrumentów, a na sondzie Huygens 6 instrumentów. Sonda Huygens jest nastawiona przede wszystkim na próbkowanie atmosfery. Sonda jest przystosowana do wykonywania pomiarów i rejestrowania obrazów na powierzchni do pół godziny. Ale sonda nie ma nóg, więc kiedy usiądzie na powierzchni Tytana, jej orientacja będzie losowa. A jego lądowanie może nie odbywać się w miejscu zawierającym substancje organiczne. Obrazy przedstawiające Cassini na bieżącej orbicie są stale aktualizowane i dostępne do przeglądania w miarę postępu misji.
Magazyn Astrobiology miał okazję porozmawiać z naukowcem Jean-Michelem Bernardem z Uniwersytetu Paryskiego na temat symulacji złożonej chemii Titana w naziemnej probówce. Jego symulacje środowiska Tytana oparte są na klasycznej zupie prebiotycznej, po raz pierwszy wprowadzonej pięćdziesiąt lat temu przez badaczy z University of Chicago, Harolda Ureya i Stanleya Millera.
Astrobiology Magazine (AM): Co najpierw pobudziło twoje zainteresowanie chemią atmosferyczną Tytana?
Jean-Michel Bernard (JB): W jaki sposób dwie proste cząsteczki (azot i metan) tworzą bardzo złożoną chemię? Czy chemia staje się biochemią? Ostatnie odkrycia życia w ekstremalnych warunkach na Ziemi (bakterie na biegunie południowym w temperaturze -40 ° C i archeony w temperaturze ponad +110 ° C w pobliżu źródeł hydrotermalnych) pozwalają przypuszczać, że życie może być obecne na innych światach i innych warunki.
Tytan ma znaczenie astrobiologiczne, ponieważ jest jedynym satelitą w Układzie Słonecznym o gęstej atmosferze. Atmosfera Tytana składa się z azotu i metanu. Cząsteczki energetyczne pochodzące ze Słońca i środowiska Saturna umożliwiają złożoną chemię, na przykład tworzenie węglowodorów i nitryli. Cząsteczki wytwarzają również stałe zamglenie wokół satelity, deszcze metanu, wiatry, pory roku Ostatnio wydaje się, że jeziora węglowodorów zostały wykryte na powierzchni Tytana. Myślę, że to odkrycie, jeśli zostanie potwierdzone przez misję Cassini-Huygens, będzie bardzo interesujące.
Sprawiłoby, że Tytan byłby analogiczny do Ziemi, ponieważ miałby atmosferę (gaz), jeziora (ciecz), mgłę i glebę (ciało stałe), trzy niezbędne środowiska do pojawienia się życia.
Skład mgły Tytana jest nieznany. Dostępne są tylko dane optyczne i są trudne do analizy ze względu na złożoność tego materiału węglowego. Przeprowadzono wiele eksperymentów w celu naśladowania chemii atmosfery Tytana, w szczególności analogi aerozoli o nazwie „tholiny” przez grupę Carla Sagana. Wydaje się, że tholiny mogą być zaangażowane w powstanie życia. Rzeczywiście, hydroliza tych analogów aerozolu Titan powoduje powstawanie aminokwasów, prekursorów życia.
JESTEM: Czy możesz opisać swoją eksperymentalną symulację rozszerzenia eksperymentów Millera-Ureya w sposób dostosowany do niskich temperatur i unikalnej chemii Tytana?
JB: Od czasu eksperymentów Millera-Ureya przeprowadzono wiele eksperymentalnych symulacji domniemanego układu prebiotycznego. Ale po odzyskaniu danych Voyagera konieczne było powrót do tego podejścia, aby zasymulować atmosferę Tytana. Następnie kilku naukowców przeprowadziło takie eksperymenty symulacyjne, wprowadzając mieszaninę azot-metan w systemie takim jak aparat Millera. Ale problem stał się oczywisty z powodu różnicy między warunkami eksperymentalnymi a warunkami Tytana. Ciśnienie i temperatura nie były reprezentatywne dla środowiska Tytana. Następnie postanowiliśmy przeprowadzić eksperymenty odtwarzające ciśnienie i temperaturę stratosfery Tytana: mieszaninę gazową 2% metanu w azocie, niskie ciśnienie (około 1 mbar) i układ kriogeniczny, aby mieć niską temperaturę. Ponadto nasz system jest umieszczony w schowku z czystym azotem, aby uniknąć zanieczyszczenia powietrza produktami stałymi.
JESTEM: Co uważasz za najlepsze źródło energii do uruchomienia chemii syntetycznej Tytana: magnetosfera cząstek Saturna, promieniowanie słoneczne lub coś innego?
JB: Naukowcy debatują o tym, jakie źródło energii najlepiej symulowałoby źródła energii w atmosferze Tytana. Promieniowanie ultrafioletowe (UV)? Promieniowanie kosmiczne? Elektrony i inne cząstki energetyczne pochodzące z magnetosfery Saturna? Wszystkie te źródła są zaangażowane, ale ich występowanie zależy od wysokości: ekstremalne promieniowanie ultrafioletowe i elektrony w jonosferze, światło UV w stratosferze, podczas gdy promienie kosmiczne występują w troposferze.
Myślę, że właściwe pytanie powinno brzmieć: jaki jest cel eksperymentalny? Aby zrozumieć chemię cyjanowodoru (HCN) w stratosferze Titana, odpowiednia jest symulacja HCN z promieniowaniem UV. Jeśli celem jest określenie wpływu pól elektrycznych generowanych przez galaktyczne promienie kosmiczne w troposferze, preferowane jest wyładowanie koronowe symulowanej atmosfery Tytana.
Badając warunki stratosferyczne Tytana, zdecydowaliśmy się zastosować wyładowanie elektryczne w naszej symulacji. Wybór ten jest kwestionowany przez mniejszość naukowców, ponieważ głównym źródłem energii w stratosferze Tytana jest promieniowanie UV. Ale nasze wyniki potwierdziły nasz eksperyment. Wykryliśmy wszystkie gatunki organiczne zaobserwowane na Tytanie. Przewidywaliśmy obecność CH3CN (acetonitryl) przed jego obserwacją. Po raz pierwszy wykryliśmy dicyjanoacetylen, C4N2, niestabilną cząsteczkę w temperaturze pokojowej, która została również wykryta w atmosferze Tytana. Środkowa sygnatura w podczerwieni produktów stałych wytworzonych w naszym eksperymencie była zgodna z obserwacjami Tytana.
JESTEM: W jaki sposób wyniki są częścią planowanych testów atmosferycznych sondy Cassini-Huygens?
JB: Po współpracy z zespołem z Observatoire Astronomique de Bordeaux we Francji ustaliliśmy stałe dielektryczne analogów aerozoli. Pozwoli nam to oszacować, w jaki sposób atmosfera i właściwości powierzchni Tytana mogą wpłynąć na wyniki eksperymentów radarowych Cassini-Huygens. Wysokościomierz na pokładzie sondy Huygens może mieć wpływ na właściwości aerozolu, ale należy przeprowadzić uzupełniające eksperymenty, aby potwierdzić ten wynik.
Dwa lata temu wprowadziliśmy mieszaninę gazów, N2 / CH4 / CO (98 / 1,99 / 0,01). Celem było określenie wpływu tlenku węgla, najliczniej dotlenionego związku na Titan. Nieoczekiwanie wykryliśmy oksiran w fazie gazowej jako główny utlenowany produkt. Ta niestabilna cząsteczka została odkryta w ośrodku międzygwiezdnym, ale modele teoretyczne nie przewidują jej dla chemii Tytana. Ale może ta cząsteczka jest obecna na Tytanie.
Obecnie analizujemy pierwsze cząsteczki, rodniki, atomy i jony (lub „gatunki”) utworzone w naszym reaktorze eksperymentalnym. Używamy spektrometrii w podczerwieni i emisji promieniowania widzialnego UV do badania podekscytowanych gatunków, takich jak CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. Następnie obserwujemy korelację między liczebnością tych gatunków a strukturami produktów stałych. Łącząc te wyniki eksperymentów z modelem teoretycznym opracowanym we współpracy z uniwersytetem w Porto w Portugalii, będziemy lepiej rozumieć chemię zachodzącą w reaktorze eksperymentalnym. Pozwoli nam to przeanalizować dane Cassini-Huygensa i tworzenie się mgiełki Tytana.
Nasz zespół jest również zaangażowany na poziomie nauki o misji, ponieważ jeden z naukowców misji jest również w naszej grupie w Laboratoire Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques, LISA). Nasze laboratoryjne tholiny zostaną wykorzystane jako przewodniki do kalibracji kilku instrumentów sondy Huygens i orbitera Cassini.
Na pokładzie sondy i orbitera znajduje się 18 instrumentów. Testy kalibracyjne są potrzebne do chromatografii gazowej i spektroskopii masowej [GC-MS]. GC-MS zidentyfikuje i zmierzy substancje chemiczne w atmosferze Tytana.
Testy kalibracyjne są również potrzebne w przypadku kolektora aerozolu i pyrolizera (ACP). Eksperyment ten wciągnie cząsteczki aerozolu z atmosfery przez filtry, a następnie ogrzeje uwięzione próbki w piecach, aby odparować substancje lotne i rozłożyć złożone materiały organiczne.
Kompozytowy spektrometr podczerwieni (CIRS), termiczny przyrząd pomiarowy na orbicie, również wymaga kalibracji. W porównaniu z poprzednimi misjami w kosmosie spektrometr na pokładzie Cassini-Huygens stanowi znaczącą poprawę, z rozdzielczością spektralną dziesięć razy wyższą niż spektrometr statku kosmicznego Voyager.
JESTEM: Czy masz plany na przyszłość dla tych badań?
JB: Naszym kolejnym krokiem jest eksperyment opracowany przez Marie-Claire Gazeau, o nazwie „SETUP”. Eksperyment składa się z dwóch części: zimnej plazmy w celu dysocjacji azotu i reaktora fotochemicznego w celu fotodysocjacji metanu. To da nam lepszą globalną symulację stanu Tytana.
Oryginalne źródło: NASA Astrobiology Magazine
