Forskere præsenterer nye spor for at skære igennem mysterierne om Titans atmosfæriske dis

Saturns største måne, Titan, er unik blandt alle måner i vores solsystem for sin tætte og nitrogenrige atmosfære, der også indeholder kulbrinter og andre forbindelser, og historien bag dannelsen af ​​denne rige kemiske blanding har været kilden til en vis videnskabelig debat.

Nu, et forskningssamarbejde mellem forskere i Chemical Sciences Division ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har nulstillet en lavtemperatur kemisk mekanisme, der kan have drevet dannelsen af ​​flere ringede molekyler-forstadierne til mere komplekse kemi nu fundet i månens brunorange dis.

Studiet, ledet af Ralf Kaiser ved University of Hawaii i Manoa og udgivet i den 8. oktober udgave af tidsskriftet Natur Astronomi , strider imod teorier om, at reaktionsmekanismer ved høj temperatur er nødvendige for at producere den kemiske sammensætning, som satellitmissioner har observeret i Titans atmosfære.

Teamet omfattede også andre forskere ved Berkeley Lab, University of Hawaii i Manoa, Samara University i Rusland, og Florida International University. Teamet brugte eksperimenter med ultraviolet lys i vakuum på Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), sammen med computersimuleringer og modelleringsarbejde for at demonstrere de kemiske reaktioner, der bidrager til Titans moderne atmosfæriske kemi.

"Vi leverer bevis her for en lavtemperatur reaktionsvej, som folk ikke har tænkt på, "sagde Musahid Ahmed, en videnskabsmand i Berkeley Labs afdeling for kemiske videnskaber og medleder for undersøgelsen ved ALS. "Dette giver anledning til et manglende led i Titans kemi."

Titan kan give spor til udviklingen af ​​kompleks kemi på andre måner og planeter, herunder jorden, forklarede han. "Folk bruger Titan til at tænke på en 'præbiotisk' jord-da nitrogen var mere udbredt i den tidlige jordas atmosfære."

Benzen, et simpelt kulbrinte med en seks-carbon single-ring molekylær struktur, er blevet opdaget på Titan og menes at være en byggesten til større kulbrinte-molekyler med to- og tre-ringstrukturer, der, på tur, dannet andre kulbrinter og aerosolpartikler, der nu udgør Titans atmosfære. Disse carbonhydrider med flere ringe er kendt som polycykliske aromatiske carbonhydrider (PAH'er).

I den seneste undersøgelse, forskere blandede to gasser-en kortvarig to-rings PAH kendt som en naphthylradikal (C10H7) og et carbonhydrid kaldet vinylacetylen (C4H4)-ved ALS, og producerede PAH'er med tre ringe i processen. Begge de kemikalier, der bruges til at drive reaktionen, antages at eksistere på Titan baseret på, hvad man ved om den kemiske sammensætning af dens atmosfære.

ALS -eksperimenterne fjernede slutprodukterne af reaktionerne fra et lille reaktionskammer. Forskere brugte en detektor kendt som et reflektrons tidsperspektiv-massespektrometer til at måle massen af ​​molekylære fragmenter, der blev produceret i reaktionen mellem de to gasser. Disse målinger leverede detaljer om kemien i PAH'erne med tre ringe (phenanthren og anthracen).

Mens ALS -eksperimenterne brugte en kemisk reaktor til at simulere den kemiske reaktion og en stråle af vakuum ultraviolet lys til at detektere reaktionens produkter, understøttende beregninger og simuleringer viste, hvordan de kemikalier, der dannes i ALS -eksperimenterne, ikke kræver høje temperaturer.

PAH'er som de kemikalier, der er undersøgt ved ALS, har egenskaber, der gør dem særligt vanskelige at identificere i dybt rum, Sagde Kaiser. "Faktisk, ikke en eneste, individuel PAH er blevet påvist i gasfasen af ​​det interstellare medium, "som er det materiale, der fylder rummet mellem stjernerne.

Han tilføjede, "Vores undersøgelse viser, at PAH'er er mere udbredt end forventet, da de ikke kræver de høje temperaturer, der er til stede omkring kulstjerner. Denne mekanisme, vi udforskede, spås at være alsidig og forventes at føre til dannelsen af ​​endnu mere komplekse PAH'er. "

Og fordi PAH'er betragtes som forstadier til dannelse af molekylære skyer-de såkaldte "molekylære fabrikker" af mere komplekse organiske molekyler, der kan inkludere forstadierne til livet, som vi kender det-kan dette åbne teorier og nye modeller for, hvordan kulstofholdige materiale i dybt rum og i den rige atmosfære af planeter og deres måner i vores solsystem udvikler sig og stammer fra, " han sagde.

Alexander M. Mebel, en kemiprofessor ved Florida International University og medleder af undersøgelsen, udført beregninger, der viste, hvordan reaktanterne naturligt kan komme sammen og danne nye forbindelser ved meget lave temperaturer.

"Vores beregninger afslørede reaktionsmekanismen, "Mebel sagde." Vi viste, at du ikke har brug for energi til at drive reaktionen af ​​naphthyl og vinylacetylen, så reaktionen skulle være effektiv, selv under de lave temperaturer og lavt tryk atmosfæriske forhold på Titan. "

En nøgle til undersøgelsen var i den detaljerede modellering af reaktorcellen, hvor gasserne blev blandet.

Mebel bemærkede, at modellering af energier og simuleringer af gasstrømningsdynamikken i spillet i reaktoren hjælper med at overvåge reaktionens fremskridt inde i reaktoren, og tillod forskere at knytte teoretiske resultater tæt til eksperimentelle observationer.

Modelarbejdet, som hjalp med at forudsige de kemikalier, der produceres i reaktionerne baseret på de indledende gasser og temperaturen og trykket i det opvarmede kammer, hvor gasserne blev blandet og ramt med den vakuum ultraviolette stråle, blev ledet af forskergruppen ved Samara University.

"Denne verifikation af modellen, by comparing it with experiments, can also be helpful in predicting how the reaction would proceed in different conditions—from Titan's atmosphere to combustion flames on Earth."

An aim of the continuing research, Kaiser said, is to unravel the details of how carbon-containing compounds with similar structures to DNA and RNA can develop even in extreme environments.