Titan-i-et-glas-eksperimenter antyder mineralsammensætning af Saturn-månen

Titan, Saturns største måne, er et naturligt laboratorium til at studere livets oprindelse. Ligesom Jorden, Titan har en tæt atmosfære og sæsonbestemte vejrcyklusser, men den kemiske og mineralogiske sammensætning er væsentlig anderledes. Nu, jordbundne forskere har genskabt månens forhold i små glascylindre, afslører grundlæggende egenskaber ved to organiske molekyler, der menes at eksistere som mineraler på Titan.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på efterårsmødet i American Chemical Society (ACS).

"Simple organiske molekyler, der er flydende på Jorden, er typisk faste iskolde mineralkrystaller på Titan på grund af dets ekstremt lave temperaturer, ned til -290 F, " siger Tomče Runčevski, Ph.D., projektets hovedefterforsker. "Vi fandt ud af, at to af de molekyler, der sandsynligvis er rigelige på Titan - acetonitril (ACN) og propionitril (PCN) - forekommer overvejende i en krystallinsk form, der skaber meget polære nanooverflader, som kunne tjene som skabeloner til selvsamling af andre molekyler af præbiotisk interesse."

Det meste af det, vi ved nu om denne iskolde verden, er takket være Cassini-Huygens-missionen fra 1997-2017 til Saturn og dens måner. Fra den mission, videnskabsmænd ved, at Titan er et overbevisende sted at studere, hvordan livet opstod. Ligesom Jorden, Titan har en tæt atmosfære, men det består for det meste af nitrogen, med et strejf af metan. Det er det eneste kendte legeme i rummet, andet end Jorden, hvor der er fundet tydelige tegn på stabile pools af overfladevæske. drevet af solens energi, Saturns magnetfelt og kosmiske stråler, både nitrogen og metan reagerer på Titan for at producere organiske molekyler af forskellig størrelse og kompleksitet. ACN og PCN menes at være til stede i månens karakteristiske gule dis som aerosoler, og de regner ned på overfladen, bundfældes som faste bidder af mineraler.

Egenskaberne af disse molekyler på Jorden er velkendte, men deres egenskaber under Titan-lignende forhold er ikke blevet undersøgt indtil nu. "I laboratoriet, vi genskabte forhold på Titan i små glascylindre, " siger Runčevski. "Typisk, vi introducerer vand, som fryser til is, når vi sænker temperaturen for at simulere Titan-atmosfæren. Vi topper det med ethan, som bliver til en væske, efterligner kulbrintesøerne, som Cassini-Huygens fandt." Nitrogen tilsættes cylinderen, og ACN og PCN introduceres for at simulere den atmosfæriske nedbør. Forskerne hæver og sænker derefter temperaturerne lidt for at efterligne temperatursvingningerne på månens overflade.

De dannede krystaller blev analyseret ved hjælp af synkrotron- og neutrondiffraktionsinstrumentering, spektroskopiske eksperimenter og kalorimetriske målinger. Arbejdet, understøttet af beregninger og simuleringer, involveret Runčevskis team fra Southern Methodist University, samt videnskabsmænd fra Argonne National Laboratory, National Institute of Standards and Technology, og New York University.

"Vores forskning afslørede en masse om strukturerne af planetariske iser, som tidligere var ukendt, " siger Runčevski. "F.eks. vi fandt, at en krystallinsk form af PCN ikke udvider sig ensartet langs dens tre dimensioner. Titan gennemgår temperatursvingninger, og hvis den termiske udvidelse af krystallerne ikke er ensartet i alle retninger, det kan få månens overflade til at revne." Sådan detaljeret viden om disse mineraler kan hjælpe holdet til bedre at forstå, hvordan Titans overflade er.

Runčevski forbereder nu krystaller af ACN, PCN, og ACN- og PCN-blandinger for at opnå detaljerede spektre. "Forskere vil derefter være i stand til at sammenligne disse kendte spektre med spektralbiblioteket indsamlet af Cassini-Huygens og tildele uidentificerede bånd, " siger han. Undersøgelserne vil hjælpe med at bekræfte mineralsammensætningen på Titan og vil sandsynligvis give indsigt til forskere, der arbejder på en kommende NASA-mission til Titan, lanceres i 2027.