Chiar dacă Cassini orbiter și-a încheiat misiunea în 15 septembrie 2017, datele pe care le-a adunat pe Saturn și cea mai mare lună a sa, Titan, continuă să uimească și să uimească. Pe parcursul celor treisprezece ani în care a petrecut orbitând pe Saturn și conducând flybys-uri ale lunii sale, sonda a strâns o mulțime de date despre atmosfera Titanului, suprafața, lacurile de metan și mediul organic bogat pe care oamenii de știință continuă să-l pornească.
De exemplu, există problema misterioaselor „dune de nisip” de pe Titan, care par a fi de natură organică și a căror structură și origini au rămas au rămas un mister. Pentru a aborda aceste mistere, o echipă de oameni de știință de la Universitatea John Hopkins (JHU) și compania de cercetare Nanomechanics au efectuat recent un studiu asupra dunelor Titanului și au ajuns la concluzia că, probabil, s-au format în regiunile ecuatoriale ale Titanului.
Studiul lor, „De unde vine nisipul Titan: Insight from Mechanical Properties of Titan Sand Candidați”, a apărut recent online și a fost trimis la Journal of Geophysical Research: Planetele. Studiul a fost condus de Xinting Yu, student absolvent la Departamentul de Științe ale Pământului și Planetare (EPS) la JHU, și a inclus profesori asistenți EPS Sarah Horst (consilierul lui Yu) Chao He, și Patricia McGuiggan, cu sprijinul oferit de Bryan Crawford din Nanomecanics Inc.
Pentru a o descompune, dunele de nisip ale Titanului au fost localizate inițial lui Cassini instrumente radar în regiunea Shangri-La de lângă ecuator. Imaginile obținute de sonda au arătat dungi lungi și întunecate liniare, care arătau ca dunele măturate de vânt, similare cu cele găsite pe Pământ. De la descoperirea lor, oamenii de știință au teoretizat că sunt compuse din boabe de hidrocarburi care s-au așezat la suprafață din atmosfera lui Titan.
În trecut, oamenii de știință au conceput că se formează în regiunile nordice din jurul lacurilor de metan din Titan și sunt distribuite în regiunea ecuatorială de către vânturile lunii. Dar de unde provin aceste boabe și cum au fost distribuite în aceste formațiuni asemănătoare cu dunele, a rămas un mister. Cu toate acestea, după cum a explicat Yu pentru Space Magazine prin e-mail, aceasta este doar o parte din ceea ce face ca aceste dune să fie misterioase:
„În primul rând, nimeni nu se aștepta să vadă nicio dună de nisip pe Titan înainte de misiunea Cassini-Huygens, deoarece modelele de circulație globală au prezis că viteza vântului pe Titan este prea slabă pentru a sufla materialele pentru a forma dune. Cu toate acestea, prin Cassini am văzut câmpuri de dună liniare vaste, care acoperă aproape 30% din regiunile ecuatoriale ale Titanului!
"În al doilea rând, nu suntem siguri cum se formează nisipurile Titan. Materialele dunelor de pe Titan sunt complet diferite de cele de pe Pământ. Pe Pământ, materialele dunelor sunt în principal fragmente de nisip împărțite din roci de silicat. În timp ce se află pe Titan, materialele dune sunt organice complexe formate din fotochimie în atmosferă, care cad la sol. Studiile arată că particulele de dună sunt destul de mari (cel puțin 100 microni), în timp ce fotochimia formată particule organice sunt încă destul de mici lângă suprafață (doar în jur de 1 micron). Deci nu suntem siguri cum se transformă particulele organice mici în particule mari de dună de nisip (aveți nevoie de un milion de particule organice mici pentru a forma o singură particulă de nisip!)
„În al treilea rând, nu știm de asemenea unde sunt prelucrate particulele organice din atmosferă pentru a deveni mai mari pentru a forma particulele de dună. Unii oameni de știință consideră că aceste particule pot fi procesate peste tot pentru a forma particule de dună, în timp ce alți cercetători cred că formarea lor trebuie să fie implicată cu lichidele Titanului (metan și etan), care sunt situate în prezent doar în regiunile polare. "
Pentru a arunca lumină în acest sens, Yu și colegii ei au efectuat o serie de experimente pentru a simula materialele transportate atât pe corpuri terestre, cât și pe gheață. Aceasta a constat în utilizarea mai multor nisipuri naturale ale Pământului, cum ar fi nisipul de plajă silicat, nisipul carbonat și nisipul alb de gips. Pentru a simula tipurile de materiale găsite pe Titan, au utilizat tholine produse de laborator, care sunt molecule de metan care au fost supuse radiațiilor UV.
Producția de tholini a fost realizată special pentru a recrea tipurile de aerosoli organici și condiții fotochimice care sunt comune pe Titan. Acest lucru a fost realizat folosind sistemul experimental de cercetare planetară HAZE (PHAZER) la Universitatea Johns Hopkins - pentru care investigatoarea principală este Sarah Horst. Ultima etapă a constat în utilizarea unei tehnici de nanoidentificare (supravegheată de Bryan Crawford de la Nanometrics Inc.) pentru a studia proprietățile mecanice ale nisipurilor și tulpinilor simulate.
Aceasta a constat în plasarea simulatoarelor de nisip și tholins într-un tunel de vânt pentru a determina mobilitatea acestora și pentru a vedea dacă pot fi distribuite în aceleași modele. După cum a explicat Yu:
„Motivația din spatele studiului este încercarea de a răspunde celui de-al treilea mister. Dacă materialele dunelor sunt prelucrate prin lichide, care sunt situate în regiunile polare ale Titanului, acestea trebuie să fie suficient de puternice pentru a fi transportate de la stâlpi în regiunile ecuatoriale ale Titanului, unde se află majoritatea dunelor. Totuși, tholinele pe care le-am produs în laborator sunt în cantități extrem de mici: grosimea filmului de tholin pe care l-am produs este de aproximativ 1 micron, aproximativ 1 / 10-1 / 100 din grosimea părului uman. Pentru a face față acestui lucru, am utilizat o tehnică nano-scală foarte intrigantă și precisă, numită nanoindentare pentru a efectua măsurătorile. Chiar dacă indentele și fisurile produse sunt toate în scări de nanometru, putem totuși să determinăm cu exactitate proprietățile mecanice, cum ar fi modulul lui Young (indicator de rigiditate), duritatea nanoentenției (duritatea) și rezistența la fractură (indicator de fragilitate) a peliculei subțiri. "
La final, echipa a stabilit că moleculele organice găsite pe Titan sunt mult mai moi și mai fragile în comparație cu chiar și cele mai moi nisipuri de pe Pământ. Mai simplu spus, tholins-urile pe care le-au produs nu par să aibă puterea de a parcurge distanța imensă care se află între lacurile de metan din nordul Titanului și regiunea ecuatorială. Din aceasta, au ajuns la concluzia că nisipurile organice de pe Titan sunt probabil formate în apropierea locului în care sunt amplasate.
„Și formarea lor nu poate implica lichide pe Titan, deoarece aceasta ar necesita o distanță de transport uriașă de peste 2000 de kilometri de la stâlpii Titanului la ecuator”, a adăugat Yu. „Particulele organice moi și fragile ar fi macinate în praf înainte de a ajunge la ecuator. Studiul nostru a folosit o metodă complet diferită și a consolidat unele rezultate rezultate din observațiile lui Cassini. ”
În final, acest studiu reprezintă o nouă direcție pentru cercetători atunci când vine vorba de studiul Titanului și al altor corpuri din Sistemul Solar. După cum a explicat Yu, în trecut, cercetătorii erau în mare măsură constrânși Cassini date și modele pentru a răspunde la întrebări despre dunele de nisip ale Titanului. Cu toate acestea, Yu și colegii ei au putut folosi analogi produși în laborator pentru a rezolva aceste întrebări, în ciuda faptului că Cassini misiunea este acum la sfârșit.
Ba mai mult, acest studiu cel mai recent este sigur că are o valoare imensă, deoarece oamenii de știință continuă să dea peste cap lui Cassini date în așteptarea viitoarelor misiuni în Titan. Aceste misiuni își propun să studieze mai mult în detaliu dunele de nisip, lacurile de metan și chimia organică bogată. După cum a explicat Yu:
„Rezultatele [O] ur nu pot doar să înțeleagă originea dunelor și nisipurilor Titanului, dar, de asemenea, vor oferi informații cruciale pentru viitoarele misiuni de aterizare viitoare pe Titan, cum ar fi Dragonfly (una dintre cele două finaliste (din douăsprezece propuneri) selectate pentru dezvoltarea ulterioară a conceptului prin programul NASA New Frontiers). Proprietățile materiale ale materialelor organice de pe Titan pot oferi de fapt indicii uimitoare pentru a rezolva unele dintre misterele de pe Titan.
„Într-un studiu pe care l-am publicat anul trecut în planetele JGR (2017, 122, 2610–2622), am aflat că forțele interparticulelor dintre particulele de tolină sunt mult mai mari decât nisipul comun pe Pământ, ceea ce înseamnă că organicele de pe Titan sunt mult mai multe coeziune (sau lipicioasă) decât nisipurile de silicat de pe Pământ. Acest lucru implică faptul că avem nevoie de o viteză mai mare a vântului pentru a sufla particulele de nisip de pe Titan, ceea ce i-ar putea ajuta pe cercetătorii de modelare să răspundă la primul mister. De asemenea, sugerează că nisipurile Titan ar putea fi formate printr-o coagulare simplă a particulelor organice din atmosferă, deoarece acestea sunt mult mai ușor de lipit între ele. Acest lucru ar putea ajuta la înțelegerea celui de-al doilea mister al dunelor de nisip ale Titanului. ”
În plus, acest studiu are implicații asupra studiului altor corpuri decât Titan. „Am găsit organice pe multe alte corpuri ale sistemului solar, în special pe corpuri glaciare din sistemul solar exterior, cum ar fi Pluton, Tritonul lunii lui Neptun și cometa 67P”, a spus Yu. Și unele dintre organice sunt produse fotochimic în mod similar cu Titan. Și am găsit caracteristici de suflare a vântului (numite caracteristici eoliene) și pe acele corpuri, astfel încât rezultatele noastre ar putea fi aplicate și asupra acestor corpuri planetare. "
În următorul deceniu, se preconizează că mai multe misiuni vor explora lunile sistemului solar exterior și vor dezvălui lucruri despre mediile lor bogate, care ar putea ajuta să arunce lumină asupra originilor vieții aici pe Pământ. In plus Telescopul spațial James Webb (acum se preconizează că va fi dislocat în 2021) va folosi, de asemenea, costumul său avansat de instrumente pentru a studia planetele Sistemului Solar, în speranța de a aborda aceste întrebări arzătoare.
