Nawet jeśli Cassini orbiter zakończył swoją misję 15 września 2017 r., dane zebrane na Saturnie i jego największym księżycu, Tytanie, nadal zadziwiają i zadziwiają. W ciągu trzynastu lat, które spędził na orbitowaniu Saturna i prowadzeniu lotów swoich księżyców, sonda zgromadziła bogactwo danych na temat atmosfery Tytana, powierzchni, jezior metanowych i bogatego środowiska organicznego, nad którym naukowcy nadal się porywają.
Na przykład chodzi o tajemnicze „wydmy” na Tytanie, które wydają się mieć charakter organiczny, a ich struktura i pochodzenie pozostają tajemnicą. Aby rozwiązać te tajemnice, zespół naukowców z Uniwersytetu Johna Hopkinsa (JHU) i firmy badawczej Nanomechanics niedawno przeprowadził badanie wydm Tytana i stwierdził, że prawdopodobnie powstały one w regionach równikowych Tytana.
Ich badanie „Skąd pochodzi Titan Sand: Insight from Mechanical Properties of Titan Sand Candidates”, niedawno ukazało się w Internecie i zostało przesłane do Journal of Geophysical Research: Planets. Badanie było prowadzone przez Xinting Yu, absolwenta Wydziału Nauk o Ziemi i Planetarnych (EPS) w JHU, i obejmowało asystentów EPS Sarah Horst (doradca Yu) Chao He oraz Patricię McGuiggan, przy wsparciu Bryana Crawforda z Nanomechanics Inc.
Aby go rozbić, pierwotnie zauważyły wydmy Tytana Cassini's instrumenty radarowe w regionie Shangri-La w pobliżu równika. Obrazy uzyskane przez sondę pokazały długie, liniowe ciemne smugi, które wyglądały jak porywane wiatrem wydmy podobne do tych znalezionych na Ziemi. Od momentu odkrycia naukowcy teoretyzowali, że składają się z ziaren węglowodorów, które osiadły na powierzchni z atmosfery Tytana.
W przeszłości naukowcy przypuszczali, że formują się one w północnych regionach wokół jezior metanowych Tytana i są rozprowadzane przez wiatr księżycowy do regionu równikowego. Ale skąd faktycznie pochodzą te ziarna i jak zostały rozdzielone w formacjach podobnych do wydm, pozostaje tajemnicą. Jednak, jak wyjaśnił Yu do Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej, to tylko część tego, co sprawia, że te wydmy są tajemnicze:
„Po pierwsze, nikt nie spodziewał się zobaczyć żadnych wydm na Tytanie przed misją Cassini-Huygens, ponieważ globalne modele cyrkulacji przewidywały, że prędkości wiatru na Tytanie są zbyt słabe, aby wydmuchać materiały, by utworzyć wydmy. Jednak dzięki Cassini widzieliśmy ogromne liniowe pola wydmowe, które pokrywają prawie 30% równikowych regionów Tytana!
„Po drugie, nie jesteśmy pewni, jak powstają piaski Tytana. Rozdrobnione materiały na Tytanie są zupełnie inne niż na Ziemi. Na Ziemi materiałami wydmowymi są głównie fragmenty piasku krzemianowego zwietrzałe ze skał krzemianowych. Podczas przebywania na Tytanie materiały wydmowe są złożonymi związkami organicznymi utworzonymi przez fotochemię w atmosferze, która spada na ziemię. Badania pokazują, że cząstki wydm są dość duże (co najmniej 100 mikronów), podczas gdy cząsteczki organiczne powstałe w wyniku fotochemii są nadal dość małe w pobliżu powierzchni (tylko około 1 mikrona). Nie jesteśmy więc pewni, w jaki sposób małe cząsteczki organiczne są przekształcane w duże cząstki wydmy (potrzebujesz miliona małych cząstek organicznych, aby utworzyć jedną cząsteczkę piasku!)
„Po trzecie, nie wiemy również, gdzie cząsteczki organiczne w atmosferze są przetwarzane, aby stały się większe, tworząc cząstki wydm. Niektórzy naukowcy uważają, że cząstki te można przetwarzać wszędzie, tworząc cząstki wydmowe, podczas gdy inni badacze uważają, że ich formacja musi być związana z płynami Tytana (metan i etan), które obecnie znajdują się tylko w regionach polarnych. ”
Aby rzucić na to światło, Yu i jej koledzy przeprowadzili serię eksperymentów w celu symulacji transportu materiałów zarówno na ciałach lądowych, jak i lodowych. Polegało to na użyciu kilku naturalnych piasków ziemskich, takich jak krzemianowy piasek plażowy, piasek węglanowy i biały piasek gyspum. Aby zasymulować rodzaje materiałów znalezionych na Titan, zastosowano laboratoryjne toliny, które są cząsteczkami metanu poddanymi promieniowaniu UV.
Produkcja tholin została specjalnie przeprowadzona w celu odtworzenia rodzajów aerozoli organicznych i warunków fotochemicznych, które są powszechne na Titan. Dokonano tego przy użyciu eksperymentalnego systemu Planetary HAZE Research (PHAZER) na Johns Hopkins University - dla którego głównym badaczem jest Sarah Horst. Ostatni krok polegał na zastosowaniu techniki nanoidentyfikacji (nadzorowanej przez Bryana Crawforda z Nanometrics Inc.) do badania właściwości mechanicznych symulowanych piasków i tholin.
Polegało to na umieszczeniu symulatorów piasku i tholinów w tunelu aerodynamicznym w celu określenia ich ruchliwości i sprawdzenia, czy można je rozmieścić według tych samych wzorów. Jak wyjaśnił Yu:
„Motywacją badań jest próba odpowiedzi na trzecią tajemnicę. Jeśli materiały wydmowe są przetwarzane przez płyny, które znajdują się w polarnych regionach Tytana, muszą być wystarczająco mocne, aby mogły zostać przetransportowane z biegunów do rejonów równikowych Tytana, gdzie znajduje się większość wydm. Jednak tholiny, które wyprodukowaliśmy w laboratorium, są w bardzo małych ilościach: grubość wyprodukowanej przez nas folii tholinowej wynosi tylko około 1 mikrona, około 1 / 10-1 / 100 grubości ludzkich włosów. Aby sobie z tym poradzić, do wykonania pomiarów zastosowaliśmy bardzo intrygującą i precyzyjną technikę w nanoskali zwaną nanoindentacją. Mimo że wszystkie powstałe wgniecenia i pęknięcia są w skali nanometrycznej, nadal możemy precyzyjnie określić właściwości mechaniczne, takie jak moduł Younga (wskaźnik sztywności), twardość nanoindentacyjna (twardość) i odporność na pękanie (wskaźnik kruchości) cienkiej warstwy ”.
Ostatecznie zespół ustalił, że cząsteczki organiczne znajdujące się na Tytanie są znacznie bardziej miękkie i kruche w porównaniu do nawet najdelikatniejszych piasków na Ziemi. Mówiąc najprościej, wydaje się, że wyprodukowane przez nich tholiny nie były w stanie pokonać ogromnej odległości między północnymi jeziorami metanu Tytana a regionem równikowym. Na tej podstawie doszli do wniosku, że piaski organiczne na Tytanie powstają prawdopodobnie w pobliżu ich położenia.
„A ich formowanie może nie obejmować płynów na Tytanie, ponieważ wymagałoby to ogromnej odległości transportu wynoszącej ponad 2000 kilometrów od biegunów Tytana do równika”, dodał Yu. „Miękkie i kruche cząsteczki organiczne zostałyby zmielone na pył, zanim dotrą do równika. W naszym badaniu zastosowano zupełnie inną metodę i wzmocniono niektóre wyniki wynikające z obserwacji Cassiniego. ”
Ostatecznie badanie to stanowi nowy kierunek dla badaczy, jeśli chodzi o badania nad Tytanem i innymi ciałami w Układzie Słonecznym. Jak wyjaśnił Yu, w przeszłości badacze byli głównie ograniczeni Cassini dane i modelowanie, aby odpowiedzieć na pytania dotyczące wydm Titana. Jednak Yu i jej koledzy byli w stanie użyć analogów wyprodukowanych w laboratorium, aby odpowiedzieć na te pytania, mimo że Cassini misja dobiegła końca.
Co więcej, to ostatnie badanie z pewnością będzie miało ogromną wartość, ponieważ naukowcy wciąż się zastanawiają Cassini's dane w oczekiwaniu na przyszłe misje do Tytana. Misje te mają na celu dokładniejsze zbadanie wydm Tytana, jezior metanowych i bogatej chemii organicznej. Jak wyjaśnił Yu:
„[O] wyniki mogą nie tylko pomóc zrozumieć pochodzenie wydm i piasków Tytana, ale także dostarczyć kluczowych informacji dla potencjalnych przyszłych misji lądowania na Tytanie, takich jak Dragonfly (jeden z dwóch finalistów (spośród dwunastu propozycji) wybranych do dalszy rozwój koncepcji w ramach programu New Frontiers NASA). Właściwości materiałowe substancji organicznych na Tytanie mogą faktycznie dostarczyć niesamowitych wskazówek, które pomogą rozwiązać niektóre z tajemnic na Tytanie.
„W badaniu, które opublikowaliśmy w zeszłym roku na planetach JGR (2017, 122, 2610–2622), odkryliśmy, że siły międzycząstkowe między cząsteczkami tholin są znacznie większe niż zwykły piasek na Ziemi, co oznacza, że substancje organiczne na Tytanie są znacznie większe spójne (lub bardziej sztywne) niż piaski krzemianowe na Ziemi. Oznacza to, że potrzebujemy większej prędkości wiatru, aby wysadzić cząsteczki piasku na Tytanie, co może pomóc badaczom modelowania w znalezieniu odpowiedzi na pierwszą tajemnicę. Sugeruje również, że piaski Tytana mogą być tworzone przez prostą koagulację cząstek organicznych w atmosferze, ponieważ łatwiej je skleić. To może pomóc zrozumieć drugą tajemnicę wydm Tytana. ”
Ponadto niniejsze badanie ma wpływ na badania ciał innych niż Titan. „Znaleźliśmy substancje organiczne na wielu innych ciałach Układu Słonecznego, zwłaszcza lodowych ciałach w zewnętrznym Układzie Słonecznym, takich jak Pluton, Księżyc Neptuna Triton i kometa 67P”, powiedział Yu. „Niektóre substancje organiczne są wytwarzane fotochemicznie podobnie do Tytana. Znaleźliśmy również obiekty dmuchane przez wiatr (zwane cechami eolicznymi) również na tych ciałach, więc nasze wyniki można zastosować również do tych ciał planetarnych. ”
W nadchodzącym dziesięcioleciu oczekuje się, że liczne misje zbadają księżyce zewnętrznego Układu Słonecznego i ujawnią rzeczy o ich bogatym środowisku, które mogą pomóc rzucić światło na pochodzenie życia tutaj na Ziemi. Ponadto Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (który ma zostać teraz wdrożony w 2021 r.) wykorzysta również swój zaawansowany zestaw instrumentów do badania planet Układu Słonecznego w nadziei na rozwiązanie tych palących pytań.
