Kreditna slika: ESA
Za življenje, kot ga poznamo, potrebujemo vsaj tri elemente: vodo, energijo in atmosfero. Med Marsom in lunami okoli Jupitra in Saturna obstajajo dokazi o enem ali dveh od teh treh elementov, manj pa je znano, če je na voljo celoten sklop. Samo Saturnova luna Titan ima ozračje, ki je primerljivo z Zemljinim tlakom in je veliko debelejše od marsovske (1% zemeljskega tlaka v morju).
Najzanimivejša točka simulacij Titanove ogljikovodikove megle je, da ta mehka sestavina vsebuje molekule, imenovane tolini (iz grške besede, blatni), ki lahko tvorijo temelje gradnikov življenja. Na primer, aminokisline, ki so eden od gradnikov zemeljskega življenja, nastanejo, ko se ti rdeče rjavi delci, podobni smogu, dajo v vodo. Kot je poudaril Carl Sagan, lahko Titan štejemo za široko vzporednico zgodnje kopenske atmosfere glede na njegovo kemijo in je na ta način zagotovo pomemben za izvor življenja.
Letos poleti naj bi NASA-ino vesoljsko plovilo Cassini, ki je bilo izstreljeno leta 1997, šlo v orbito okoli Saturna in njegovih lun za štiri leta. V začetku leta 2005 naj bi se s sondami Huygens sonda potopila v megleno atmosfero Titana in pristala na mesečevi površini. V orbiti letala Cassini Spacecraft je 12 instrumentov in 6 instrumentov na sondi Huygens. Sonda Huygens je usmerjena predvsem k vzorčenju atmosfere. Sonda je opremljena za merjenje in snemanje slik do pol ure na površini. Toda sonda nima nog, zato se bo, ko se spusti na Titanovo površino, usmerila naključno. In njegovo pristajanje morda ne bo potekalo na mestu, ki vsebuje organske materiale. Slike, kje je Cassini v svoji trenutni orbiti, se stalno posodabljajo in so na voljo za ogled, ko misija napreduje.
Revija Astrobiology se je imela priložnost pogovarjati z raziskovalcem Jean-Michelom Bernardom z univerze v Parizu o tem, kako simulirati Titanovo kompleksno kemijo v prizemni epruveti. Njegove simulacije Titanovega okolja gradijo na klasični prebiotični juhi, ki so jo pred petdesetimi leti prvič uvedli raziskovalci univerze v Chicagu Harold Urey in Stanley Miller.
Astrobiology Magazine (AM): Kaj je najprej spodbudilo vaše zanimanje za atmosfersko kemijo Titana?
Jean-Michel Bernard (JB): Kako dve preprosti molekuli (dušik in metan) ustvarita zelo kompleksno kemijo? Ali kemija postane biokemija? Nedavna odkritja življenja v ekstremnih razmerah na Zemlji (bakterije na Južnem polu pri -40 ° C in arheje pri več kot +110 ° C v bližini hidrotermalnih virov) omogočajo domnevo, da bi bilo življenje lahko prisotno na drugih svetovih in drugih pogoji.
Titan ima astrobiološki interes, ker je edini satelit v osončju z gosto atmosfero. Titanovo ozračje je sestavljeno iz dušika in metana. Energijski delci, ki prihajajo iz sonca in Saturnovega okolja, omogočajo kompleksno kemijo, kot je tvorba ogljikovodikov in nitrila. Delci ustvarjajo tudi trajno meglo okoli satelita, deževe metana, vetrove, letne čase V zadnjem času se zdi, da so na Titanovi površini zaznana jezera ogljikovodikov. Mislim, da bo to odkritje, če ga bo potrdila misija Cassini-Huygens, zelo zanimivo.
Titan bi naredil analogno Zemlji, saj bi imel ozračje (plin), jezera (tekočina), meglica in tla (trdna), tri potrebna okolja za videz življenja.
Sestava Titanove megle ni znana. Na voljo so samo optični podatki in jih je težko za analizirati zaradi zapletenosti tega ogljikovega materiala. Številni poskusi so bili narejeni, da bi posnemali kemijo Titanove atmosfere, predvsem aerosoli analogi, ki jih je skupina Carla Sagana imenovala "tolini". Zdi se, da bi bili lahko izvori vpleteni v izvor življenja. Dejansko hidroliza teh analogov Titan aerosol povzroči nastanek aminokislin, predhodnikov življenja.
AM: Ali lahko opišete svojo eksperimentalno simulacijo razširitve poskusov Miller-Urey na način, ki je prilagojen nizkim temperaturam in edinstveni kemiji Titana?
JB: Od eksperimentov Miller-Urey je bilo izvedenih veliko eksperimentalnih simulacij domnevnega prebiotičnega sistema. Toda po odkritju podatkov Voyagerja se je zdelo potrebno, da se vrnemo k temu pristopu, da simuliramo Titanovo vzdušje. Potem je več znanstvenikov izvedlo takšne simulacijske poskuse z uvedbo zmesi dušik-metana v sistem, kot je Millerjev aparat. Toda težava je postala očitna zaradi razlike med eksperimentalnimi in Titanovimi pogoji. Tlak in temperatura nista reprezentativna za Titanovo okolje. Nato smo se odločili, da bomo izvedli poskuse, ki reproducirajo tlak in temperaturo Titanove stratosfere: plinsko mešanico 2% metana v dušiku, nizek tlak (približno 1 mbar) in kriogeni sistem, da se ohrani nizka temperatura. Poleg tega je naš sistem nameščen v škatli z rokavicami, ki vsebuje čisti dušik, da se prepreči onesnaženje trdnih izdelkov iz zunanjega okolja.
AM: Kaj menite, da je najboljši vir energije za sprožitev Titanove sintetične kemije: magnetosfera Saturnovih delcev, sončno sevanje ali kaj drugega?
JB: Znanstveniki razpravljajo o tem, kateri vir energije bi najbolje simuliral vire energije v Titanovi atmosferi. Ultravijolično (UV) sevanje? Kozmični žarki? Elektroni in drugi energijski delci, ki prihajajo iz Saturnove magnetosfere? Vključeni so vsi ti viri, vendar je njihov pojav odvisen od nadmorske višine: ekstremno ultravijolično sevanje in elektroni v ionosferi, UV svetloba v stratosferi, medtem ko se v troposferi pojavljajo kozmični žarki.
Mislim, da bi moralo biti ustrezno vprašanje: Kaj je poskusni cilj? Če želimo razumeti kemijo vodikovega cianida (HCN) v Titanovi stratosferi, je primerna simulacija z UV sevanjem HCN. Če je cilj določiti učinke električnih polj, ki jih ustvarijo galaktični kozmični žarki v troposferi, je boljše koronsko razelektritev simulirane atmosfere Titana.
Pri proučevanju Titanovih stratosferskih razmer smo v svoji simulaciji izbrali električni izpust. Ta izbira izpodbija manjšina znanstvenikov, ker je glavni vir energije v Titanovi stratosferi UV-sevanje. Toda naši rezultati so potrdili naš poskus. Zaznali smo vse organske vrste, ki so jih opazili na Titanu. Pred opazovanjem smo napovedali prisotnost CH3CN (acetonitrila). Prvič smo zaznali dicianoacetilen, C4N2, nestabilno molekulo pri sobni temperaturi, ki je bila zaznana tudi v Titanovi atmosferi. Srednji infrardeči podpis trdnih izdelkov, ustvarjenih v našem poskusu, je bil skladen z opazovanji Titana.
AM: Kako so vaši rezultati del načrtovanih preizkusov atmosfere za sondo Cassini-Huygens?
JB: Po sodelovanju z ekipo iz Observatoire Astronomique de Bordeaux v Franciji smo določili dielektrične konstante aerosolnih analogov. To nam bo omogočilo oceno, kako bi lahko Titanova atmosfera in površinske lastnosti vplivale na delovanje radarskih poskusov Cassini-Huygens. Višine na krovu sonde Huygens bi lahko vplivale na lastnosti aerosolov, vendar je treba za potrditev tega rezultata izvesti dopolnilne poskuse.
Pred dvema letoma smo uvedli plinsko mešanico N2 / CH4 / CO (98 / 1,99 / 0,01). Cilj je bil ugotoviti vpliv ogljikovega monoksida, najbolj obilne kisikove spojine na Titan. Presenetljivo smo zaznali oksiran v plinasti fazi kot glavni produkt s kisikom. Ta nestabilna molekula je bila odkrita v medzvezdnem mediju, vendar teoretični modeli tega ne predvidevajo za Titanovo kemijo. Kljub temu je morda ta molekula prisotna na Titanu.
Trenutno analiziramo prve molekule, radikale, atome in ione (ali 'vrste'), ustvarjene v našem eksperimentalnem reaktorju. Za proučevanje vznemirjenih vrst, kot so CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2, uporabljamo infrardečo spektrometrijo in UV-vidno emisijo. Nato bomo opazili povezavo med številčnostjo teh vrst in strukturami trdnih izdelkov. Če bomo te eksperimentalne rezultate povezali s teoretičnim modelom, razvitim v sodelovanju z Univerzo v Portu na Portugalskem, bomo imeli boljše razumevanje kemije, ki se pojavlja v eksperimentalnem reaktorju. To nam bo omogočilo analizo podatkov Cassini-Huygens in nastanka Titana.
Naša ekipa je vključena tudi v znanstveno raven misije, saj je eden izmed znanstvenikov misije tudi v naši skupini na Laboratoire Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques, LISA). Naši laboratorijski tolini bodo uporabljeni kot vodila za umerjanje več instrumentov na sondi Huygens in v Cassinijevi orbiti.
Na krovu sonde in orbite je 18 instrumentov. Kalibracijski preskusi so potrebni za plinsko kromatografijo in masno spektroskopijo [GC-MS]. GC-MS bo identificiral in meril kemikalije v Titanovem ozračju.
Kalibracijski preskusi so potrebni tudi za zbiralnik aerosolov in pirolizator (ACP). V tem poskusu se skozi filtre v atmosfero črpajo delci aerosola in nato segreti ujeti vzorci v pečicah, da se hlapijo hlapne snovi in razpadejo kompleksni organski materiali.
Prav tako je treba umeriti kompozitni infrardeči spektrometer (CIRS), toplotni merilni instrument na orbiti. V primerjavi s prejšnjimi misijami v vesolju je spektrometer na krovu Cassini-Huygens bistveno izboljšan, saj je spektralna ločljivost desetkrat višja od spektrometra vesoljskega plovila Voyager.
AM: Ali imate prihodnje načrte za to raziskavo?
JB: Naslednji korak je poskus, ki ga je razvila Marie-Claire Gazeau, imenovan "SETUP". Poskus ima dva dela: hladno plazmo za disociacijo dušika in fotokemični reaktor za fotodisociacijo metana. Tako bomo dosegli boljšo globalno simulacijo Titanovega stanja.
Izvirni vir: NASA Astrobiology Magazine
