Titans atmosfære genskabt i et jordlaboratorium

hinsides jorden, den generelle videnskabelige konsensus er, at det bedste sted at søge efter beviser for udenjordisk liv er Mars. Imidlertid, det er på ingen måde det eneste sted. Bortset fra de mange ekstrasolare planeter, der er blevet udpeget som "potentielt beboelige, " der er masser af andre kandidater lige her i vores solsystem. Disse inkluderer de mange iskolde satellitter, der menes at have indre oceaner, der kan rumme liv.

Blandt dem er Titan, Saturns største måne, der har alle former for organisk kemi, der foregår mellem dens atmosfære og overflade. I nogen tid, videnskabsmænd har mistænkt, at undersøgelsen af ​​Titans atmosfære kunne give vigtige spor til de tidlige stadier af udviklingen af ​​livet på Jorden. Takket være ny forskning ledet af teknologigiganten IBM, et team af forskere har formået at genskabe atmosfæriske forhold på Titan i et laboratorium.

Deres forskning er beskrevet i et papir med titlen "Imaging Titan's Organic Haze at Atomic Scale, " som for nylig udkom i 12. februar-udgaven af The Astrophysical Journal Letters . Forskerholdet blev ledet af Dr. Fabian Schulz og Dr. Julien Maillard og omfattede mange kolleger fra IBM Research-Zurich, universitetet i Paris-Saclay, universitetet i Rouen i Mont-Saint-Aignan, og Fritz Haber Institute of the Max Planck Society.

Meget af det, vi ved om Titan i dag, skyldes rumfartøjet Cassini, som kredsede om Saturn fra 2004 til 2017 og afsluttede sin mission ved at dykke ned i Saturns atmosfære. I løbet af denne tid, Cassini udførte mange direkte målinger af Titans atmosfære, afslører et overraskende jordlignende miljø. I bund og grund, Titan er det eneste andet legeme i solsystemet, der har en tæt nitrogenatmosfære og organiske processer, der finder sted.

Det, der er særligt interessant, er det faktum, at forskere mener, at for omkring 2,8 milliarder år siden, Jordens atmosfære kan have været ens. Dette falder sammen med den mesoarchiske æra, en periode, hvor fotosyntetiske cyanobakterier skabte de første revsystemer og langsomt omdannede Jordens atmosfæriske kuldioxid til oxygengas (til sidst førte til dens nuværende balance mellem nitrogen og oxygen).

Selvom Titans overflade menes at rumme spor, der kunne forbedre vores forståelse af, hvordan liv opstod i vores solsystem, at få et klart blik på den overflade har været et problem. Årsagen til dette har at gøre med Titans atmosfære, som er gennemsyret af en tæt fotokemisk dis, der spreder lys. Som Leo Gross og Nathalie Carrasco (medforfattere på undersøgelsen) forklarede i en nylig artikel, der blev sendt til IBM Research Blog:

"Titan's haze består af nanopartikler lavet af en lang række store og komplekse organiske molekyler indeholdende kulstof, brint og nitrogen. Disse molekyler dannes i en kaskade af kemiske reaktioner, når (ultraviolet og kosmisk) stråling rammer blandingen af ​​metan, nitrogen og andre gasser i atmosfærer som Titans."

Som resultat, der er stadig meget, som forskerne ikke ved om de processer, der driver Titans atmosfære, som omfatter den nøjagtige kemiske struktur af de store molekyler, der udgør denne dis. I årtier, astrokemikere har udført laboratorieforsøg med lignende organiske molekyler kendt som tholins - et udtryk, der stammer fra det græske ord for "mudret" (eller "diset").

Tholiner refererer til en lang række organiske kulstofholdige forbindelser, der dannes, når de udsættes for sol-UV eller kosmiske stråler. Disse molekyler er almindelige i det ydre solsystem og findes typisk i iskolde kroppe, hvor overfladelaget indeholder methan is, der er udsat for stråling. Deres tilstedeværelse er angivet ved overflade, der har et rødmosset udseende, eller som om de har sepia-farvede pletter.

Af hensyn til deres studie, holdet ledet af Schulz og Maillard gennemførte et eksperiment, hvor de observerede tholiner i forskellige stadier af dannelse i et laboratoriemiljø. Som Gross og Carrasco forklarede:

"Vi oversvømmede en rustfri stålbeholder med en blanding af metan og nitrogen og udløste derefter kemiske reaktioner gennem en elektrisk udladning, og derved efterligne forholdene i Titans atmosfære. Vi analyserede derefter over 100 resulterende molekyler, der komponerede Titans tholiner i vores laboratorium i Zürich, få billeder af atomopløsning af omkring et dusin af dem med vores hjemmebyggede lavtemperatur atomkraftmikroskop."

Ved at opløse molekyler af forskellig størrelse, holdet blev forsynet med glimt af de forskellige stadier, gennem hvilke disse tågemolekyler vokser, samt hvordan deres kemiske makeup ser ud. I det væsentlige, de observerede en nøglekomponent i Titans atmosfære, da den blev dannet og akkumuleret for at skabe Titans berømte diset effekt. sagde Conor A. Nixon, en forsker fra NASA's Goddard Space Flight Center (som ikke var tilknyttet undersøgelsen):"Dette papir viser banebrydende nyt arbejde i brugen af ​​atom-skala mikroskopi til at undersøge strukturerne af komplekse, flerringede organiske molekyler. Typisk analyse af laboratoriegenererede forbindelser ved hjælp af teknikker som massespektroskopi afslører de relative proportioner af de forskellige grundstoffer, men ikke den kemiske binding og struktur.

"For første gang her, vi ser den molekylære arkitektur af syntetiske forbindelser svarende til dem, der menes at forårsage den orange dis i Titans atmosfære. Denne applikation giver nu et spændende nyt værktøj til prøveanalyse af astrobiologiske materialer, inklusive meteoritter og returnerede prøver fra planetariske legemer."

Hvad mere er, deres resultater kan også kaste lys over Titans mystiske metanbaserede hydrologiske cyklus. På jorden, denne cyklus består af vand, der går mellem en gasform (vanddamp) og en flydende tilstand (regn og overfladevand). På Titan, den samme cyklus finder sted med metan, som går over fra atmosfærisk metangas og falder som metanregn for at danne Titans berømte kulbrintesøer.

I dette tilfælde, forskerholdets resultater kunne afsløre den rolle, som den kemiske uklarhed spiller i Titans metankredsløb, herunder hvorvidt disse nanopartikler kan flyde på dens metansøer. Desuden, disse fund kunne afsløre, hvorvidt lignende atmosfæriske aerosoler hjalp liv med at opstå på Jorden for milliarder af år siden.

"De molekylære strukturer, vi nu har afbildet, er kendt for at være gode absorbere af ultraviolet lys, " beskrev Gross og Carrasco. "Det, på tur, betyder, at disen kan have fungeret som et skjold, der beskytter DNA-molekyler på den tidlige jordoverflade mod skadelig stråling."

Hvis denne teori er korrekt, holdets resultater ville ikke kun hjælpe videnskabsmænd til at forstå de betingelser, hvorunder liv opstod her på Jorden, de kunne også pege på den mulige eksistens af liv på Titan. Den mystiske karakter af denne satellit er noget, forskerne først blev opmærksomme på i begyndelsen af ​​1980'erne, da Voyager 1 og 2 rumsonderne begge fløj gennem Saturn-systemet. Siden da, videnskabsmænd har slået sig sammen

I 2030'erne, NASA planlægger at sende et robot-rotorfly kaldet Dragonfly til Titan for at udforske dens overflade og atmosfære og søge efter mulige tegn på liv. Som altid, det teoretiske arbejde og laboratorieeksperimenter, der udføres i mellemtiden, vil gøre det muligt for videnskabsmænd at indsnævre fokus og øge chancerne for, at missionen (når den ankommer) vil finde det, den leder efter.