Beboeligheden af ​​Titan og dens hav

Saturns største måne, Titan, er et arnested for organiske molekyler, rummer en suppe af komplekse kulbrinter svarende til den, der menes at have eksisteret for over fire milliarder år siden på den oprindelige Jord. Titans overflade, imidlertid, er i en dybfrysning ved –179 grader Celsius (–290 grader Fahrenheit, eller 94 kelvin). Livet, som vi kender det, kan ikke eksistere på månens kolde overflade.

Dybt under jorden, imidlertid, er en anden sag. Tyngdekraftsmålinger foretaget under forbiflyvninger af NASAs Cassini-rumfartøj afslørede, at Titan indeholder et hav under sin isskal. og i dette hav, forhold er potentielt egnede for livet.

Et NAI-finansieret hold ledet af forskere ved NASA's Jet Propulsion Laboratory søger at bedre forstå potentialet for liv i Titans hav, og dets mulige forhold til de organiske molekyler i månens atmosfære og på dens overflade. Titans rige mangfoldighed af organiske molekyler er et produkt af ultraviolet lys fra Solen, der initierer kemiske reaktioner med de dominerende gasser i Titans atmosfære - brint, metan og nitrogen. De resulterende komplekse kulbrinter kunne være livets byggesten, eller give kemiske næringsstoffer for livet, og i sit hav rummer Titan et potentielt levested for det liv.

Anført af JPLs Rosaly Lopes, NAI-teamets fire hovedmål er at bestemme, hvordan disse organiske molekyler transporteres mellem atmosfæren, overfladen og havet, hvilke processer der så sker i havet for at gøre det beboeligt, hvilke biosignaturer havets liv så producerer, og endelig hvordan disse biosignaturer derefter transporteres tilbage til overfladen, hvor de kunne opdages.

Projekt planlægning

Projektet, som er blevet finansieret af NAI i fem år indtil april 2023, er organiseret omkring de veje, som organiske molekyler og biosignaturer tager gennem atmosfæren og isskallen, der omgiver havet.

Teamet har i dag 30 medlemmer fordelt på en række institutioner. "Under hvert mål har vi flere undersøgelser, og hver undersøgelse har en ledende efterforsker, " siger Lopes. Hver undersøgelse arbejder efter en tidsplan, så resultater frembragt af undersøgelser af det første mål - transporten af ​​organiske molekyler - kan indgå i undersøgelser i de efterfølgende mål.

"Vores videnskab følger de organiske molekyler på deres vej fra toppen af ​​atmosfæren, hvor de bliver konstrueret, ned gennem skorpen og ud i havet, og hvis der sker biologi dernede, hvordan disse organiske stoffer arbejder sig tilbage til overfladen og bliver synlige, " siger geokemiker og vicedirektør for projektet, Mike Malaska fra JPL.

Mål 1:Transport

De første videnskabelige resultater fra projektet er kommet fra Conor Nixon og hans team hos NASA Goddard, som har brugt Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile til at studere det kemiske indhold i Titans atmosfære. At vide præcis, hvilke molekylære arter der findes i atmosfæren, giver forskerne mulighed for at bygge en omfattende fotokemisk model af atmosfæren, der lægger grunden til at forstå, hvilke organiske stoffer der er i stand til at nå overfladen og potentielt komme ind i havet.

Meget af vores viden om Titans atmosfære kommer fra Cassini-rumfartøjet, specifikt CIRS infrarøde spektrometerinstrument. Imidlertid, siger Nixon, nogle molekylære arter var for svage i infrarød til at blive opdaget af CIRS, men de er meget lysere for ALMA. I særdeleshed, Nixon citerer flere cyanidmolekyler, CH3CN, C2H3CN og C2H5CN, som er nøglenitrogenholdige molekyler i Titans atmosfære, som ALMA var i stand til at detektere. I mellemtiden der er mange flere molekylære arter, der er blevet påvist af både Cassini og ALMA. Sidstnævnte har detekteret rumlige variationer i spor af organiske gasser skabt gennem nedbrydningen af ​​metan og molekylært nitrogen af ​​solens ultraviolette lys. Når disse sporgasser driver gennem atmosfæren mod overfladen, de kan reagere med andre organiske molekyler og danne stadig mere komplekse organiske stoffer. Den observerede rumlige variation kan derfor påvirke mængden og typerne af organiske stoffer på overfladen, og hvilke organiske stoffer der er tæt på veje ind i undergrunden.

Cassini observerede Titan i et halvt Saturnsk år, fra nordlig vinter til nordlig sommer; nu hvor Cassini-missionen er afsluttet, ALMA vil være i stand til at observere, hvordan atmosfæren ændrer sig i resten af ​​Saturn og Titans år – og hvordan overfloden af ​​organiske molekyler ændrer sig med den. For eksempel, analyse af Cassini-data fra NAI-holdet har fundet sæsonbestemte variationer i C3Hx-carbonhydriderne såsom propan og propyn i Titans stratosfære.

De resterende undersøgelser som en del af mål 1 involverer at forstå, hvordan molekyler transporteres hen over overfladen, efter at de er udfældet ud af atmosfæren, som er en opgave, der ledes af Alex Hayes' gruppe på Cornell University. Det næste trin er at forstå, hvordan de organiske stoffer modificeres ved overfladen, og derefter hvordan de flyttes fra overfladen til havet.

Denne sidste forespørgsel har givet en overraskende mulighed. Et af de vigtigste resultater fra projektet indtil videre er en artikel af Kelly Miller, Hunter Waite og NAI-teammedlem Christopher Glein fra Southwest Research Institute i Texas, som foreslår, at Titans nitrogenatmosfære stammer fra organiske molekyler, der blev fanget inde i Titan, da månen blev dannet, og den efterfølgende opvarmning af disse gasser frigav nitrogen, der sivede op til overfladen. Med henblik på NAI-projektet, det tyder på, at der allerede er organiske stoffer inde i Titan, som kan trænge ind i havet nedefra, så selvom organiske stoffer ikke kan nå havet fra overfladen, havet kunne stadig indeholde livets byggesten.

"Disse organiske stoffer kan faktisk være i stand til at perkolere op gennem kryovulkanisme, siger Lopes, skaber også en mulig oprindelse for nogle af de organiske stoffer på Titans overflade.

Mål 2:Beboelighed

Hvis der findes veje for organiske stoffer til at passere gennem isskallen fra overfladen til havet nedenfor, så er næste skridt at finde ud af, om havet, eller hvor som helst i isen på rejsen til havet, er potentielt beboelig. Det er her biologerne på holdet, studere højtryk, kulde-tolerante organismer, komme i spil.

Før det kan lade sig gøre, mere skal vides om havet. Selvom Cassini bekræftede, at havet eksisterer via tyngdekraftsmålinger, "Hvad vi ikke ved er den nøjagtige sammensætning af havet, dens tæthed, dens termiske profil, den overordnede struktur af den iskolde skorpe oven på den, " siger Malaska.

For bedre at forstå havet og dets potentielle beboelighed, forskere på holdet starter med flere mulige sammensætninger, der med rimelighed kunne forventes at eksistere, og arbejde baglæns, udvikling af teoretiske modeller.

Selvom det kan være umuligt nogensinde at udforske Titans dybe undergrund eller ocean, NAI-teamet har til hensigt at bruge både teoretisk modellering og laboratorieeksperimenter til at simulere de mulige forhold, for bedre at forstå grænsefladen mellem isskallen og havet, og havet med den stenede kerne, og strømmen af ​​oxidanter og reduktanter ved disse grænseflader, der kunne understøtte mikrober.

Mål 3:Livet

For at liv skal kunne eksistere i eller i nærheden af ​​Titans hav, der skal være en kilde til kemisk energi til at metabolisere. Med udgangspunkt i arbejdet i mål 1 og 2 vedrørende, hvilke organiske stoffer der når havet, og hvordan havets miljø er, holdet vil derefter være i stand til at konstruere teoretiske modeller for, hvor meget energi der er til rådighed i havet, samt mulige stofskifte, der kunne eksistere under disse forhold, at måle sandsynligheden for, at livet kunne overleve der.

Forudsat at havet er beboeligt, med kilder til kemisk energi og en sund forsyning af organiske stoffer, miljøet med højt tryk og lav temperatur kan begrænse de mange forskellige livsformer, der kunne eksistere der. Imidlertid, en terrestrisk organisme, som holdet betragter som et passende eksempel, er Pelobacter acetylenicus , som kan overleve på acetylen som sin eneste kilde til metabolisk energi og kulstof.

"Vores mål er at tænke på Pelobacter acetylenicus som modelorganisme, noget, der kunne eksistere i den dybe undergrund på Titan, " siger Malaska. Laboratorieeksperimenter vil blive udført, placere mikrober som f.eks Pelobacter acetylenicus i simulerede miljøer beskrevet af den førnævnte teoretiske modellering for at se, om mikroberne kan trives i dem, at lære, hvordan de tilpasser sig for at overleve, og hvilke nye typer biomolekyler, der kan være resultatet af disse tilpasninger. Disse biomolekyler kan derefter efterlade biosignaturer - molekylære spor af liv.

Imidlertid, mens den mulige eksistens af liv i Titans hav er godt og vel, vi skal også kunne opdage det liv via biosignaturer. At forstå hvilke biomarkører livet kan efterlade er derfor anden del af mål 3, og en database med potentielle biosignaturer vil blive produceret, herunder isotoper af kulstof, nitrogen og ilt, samt biologiske strukturer såsom lipiderne i cellemembraner.

Mål 4:Detektion

Selvfølgelig, hvis biosignaturerne forbliver i havet, de vil være umulige at opdage fra kredsløb eller på overfladen. Derfor, det endelige mål er at finde måder, hvorpå disse biosignaturer kan transporteres til overfladen - det omvendte af den del af Mål 1, der udforskede måder, hvorpå organiske stoffer kunne nå havet fra overfladen.

Det vigtigste transportmiddel er sandsynligvis enten konvektivt (dvs. varmere, is, der stiger opad, eller måske kryovulkanisme.

"Metan i atmosfæren ødelægges af ultraviolet lys, så der skal være lidt genopfyldning, " påpeger Lopes. "Og der kan stadig ske udgasning."

Selvom ingen aktiv kryovulkanisme er blevet opdaget på Titan endnu, flere træk på overfladen er blevet identificeret som potentielt kryovulkaniske. "Vi studerer allerede teoretiske måder, hvorpå kryovulkanisme kan transportere materiale, siger Lopes, i forventning om, hvornår resultaterne af mål 3 foreligger.

Transporten til overfladen vil også kunne skabe beboelige miljøer undervejs. Når Mike Malaska refererer til den dybe undergrund, han mener ikke kun havet, men reservoirer, der også kunne eksistere i lommer langs de stier, som organisk materiale tager ind og ud af isskallen. I særdeleshed, han siger, mellem 7 og 30 kilometer under overfladen, ved grænsen mellem de stive, skør is og jo mere duktilt, blødere is, hvor temperaturer og tryk ville ligne noget 2 eller 3 kilometer under Antarktis, der kunne eksistere bittesmå mellemrum i mellem iskornene i isskallen, hvor mikrober som f.eks Pelobacter acetylenicus kunne trives. At være tættere på overfladen end isskallen kan også betyde, at de resulterende biomarkører fra disse lommer af underjordisk liv lettere kan nå overfladen.

Det rejser også spørgsmålet om, hvordan biosignaturer kan ændres kemisk, når de stiger gennem stierne i isskallen, møder forskellige miljøer - flydende vand, sjusset is, og fast is - som så ville påvirke det, vi kunne forvente at opdage på overfladen. Endelig, når de når overfladen, hvordan vil fremtidige missioner til Titan opdage disse biomarkører? Det ultimative mål med undersøgelsen er at male et billede af en potentiel biosfære på Titan, så forskerne ved, hvad de skal kigge efter, og hvad man skal designe instrumenter til at opdage, når vi vender tilbage til Titan.

"Dette er vores store mål, at prøve at evaluere Titan som et potentielt beboeligt system, " siger Malaska. "Vi vil oprette en liste over potentielle biomarkører og forsøge at angive, hvor på overfladen det kan være et godt sted at lede efter dem."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASAs Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.