Kép jóváírása: ESA
Legalább három elem szükséges az élet kikötéséhez, amint azt tudjuk: víz, energia és légkör. A Mars és a Jupiter, valamint a Szaturnusz körüli holdok között bizonyíték van e három elem közül egyre vagy kettőre, de kevésbé ismert, ha rendelkezésre áll egy komplett készlet. Csak a Szaturnusz holdján, a titánnál van olyan légkör, amely összehasonlítható a Föld nyomásával, és sokkal vastagabb, mint a marsi (a Föld tengerszintnyomásának 1% -a).
A Titán szénhidrogén-ködének szimulációjának legérdekesebb pontja az, hogy ez a szmogos komponens tholinoknak nevezett molekulákat tartalmaz (a görög szóból sáros), amelyek képesek az élet építőköveinek alapját képezni. Például az aminosavak, amelyek a földi élet egyik építőkövei, akkor képződnek, amikor ezeket a vörös-barna szmog-szerű részecskéket vízbe helyezik. Ahogyan Carl Sagan rámutatott, a Titánt kémiai szempontból a korai földi légkör széles vonalának lehet tekinteni, és így mindenképpen releváns az élet eredete szempontjából.
Idén nyáron a NASA 1997-ben elindított Cassini űrhajója várhatóan négy évre kerüli a szaturnusz és holdi körüli pályára. 2005 elején a disznózsákos Huygens-szonda várhatóan belemerül a ködös titán légkörbe, és leszáll a hold felszínén. A Cassini űrhajó pályája körül 12 eszköz található, a Huygens Probe-ben pedig 6 eszköz található. A Huygens szonda elsősorban a légkör mintavételére irányul. A szonda fel van készülve mérések elvégzésére és felvételek felvételére akár fél órán keresztül a felületen. De a szonda nem rendelkezik lábakkal, tehát amikor a Titan felületére áll, orientációja véletlenszerű lesz. És a leszállás nem egy szerves anyagot hordozó helyszínen történhet. A Cassini jelenlegi pályáján található képeket folyamatosan frissítjük és megtekinthetjük a misszió előrehaladtával.
Az Astrobiology Magazine alkalmat kapott arra, hogy beszélgetjen a Párizsi Egyetem kutató tudósával, Jean-Michel Bernard-lal arról, hogyan lehet a Titán komplex kémiáját egy földi kémcsőben szimulálni. A Titan környezetének szimulációi a klasszikus prebiotikus levesre épülnek, amelyet ötven évvel ezelőtt alapoztak a Chicagói Egyetem kutatói, Harold Urey és Stanley Miller.
Astrobiology Magazine (AM): Mi először ösztönözte érdeklődését a Titan légköri kémiája iránt?
Jean-Michel Bernard (JB): Hogyan hozhat létre két egyszerű molekula (nitrogén és metán) egy nagyon összetett kémiai reakciót? A kémia biokémiává válik? A Föld extrém körülményeiben tapasztalható élet legfrissebb felfedezései (baktériumok a déli póluson -40 ° C-on, és az archaea hőmérséklete több mint +110 ° C-on a hidrotermikus források közelében) lehetővé teszik, hogy feltételezzük, hogy az élet más világokban és más világokban is jelen lehet körülmények.
A Titannak asztrobiológiai érdeke van, mivel ez az egyetlen sűrű légkörű műholdas a Naprendszerben. A Titan légköre nitrogénből és metánból készül. A Nap és a Szaturnusz környezetéből származó energetikai részecskék lehetővé teszik a komplex kémiai reakciókat, például szénhidrogének és nitrilek képződését. A részecskék állandó ködöt generálnak a műholdak körül, metán esőket, szeleket, évszakokat. Úgy tűnik, hogy a Titán felszínén a szénhidrogének tavai észlelhetők voltak. Úgy gondolom, hogy ez a felfedezés - ha azt a Cassini-Huygens misszió megerősíti - nagy érdeklődésre számít majd.
Ez a Titánt analógmá tenné a Földdel, mivel légköre (gáz), tavak (folyékony), köd és talaj (szilárd) lenne, amely az élet megjelenéséhez szükséges három környezet.
A Titan ködének összetétele ismeretlen. Csak optikai adatok állnak rendelkezésre, és ezeket a széntartalmú anyag bonyolultsága miatt nehéz elemezni. Számos kísérletet végeztek a Titán légkörének kémiai utánozására, nevezetesen Carl Sagan csoportjának „tholinek” elnevezésű aeroszol-analógjait. Úgy tűnik, hogy a tholinok szerepet játszhatnak az élet eredetében. Valójában ezen Titan aeroszol-analógok hidrolízise aminosavak, az élet előfutárainak képződését eredményezi.
AM: Leírja-e a Miller-Urey kísérletek kibővítésének kísérleti szimulációját a Titan alacsony hőmérsékleteinek és az egyedi kémianak megfelelő módon?
JB: A Miller-Urey kísérletek óta számos feltételezett prebiotikus rendszer szimulációs kísérletét végezték el. De a Voyager adatainak beolvasása után úgy tűnt, hogy vissza kell térni ehhez a megközelítéshez a Titan légkörének szimulálására. Aztán több tudós elvégezte az ilyen szimulációs kísérleteket egy nitrogén-metán keverék bevezetésével egy olyan rendszerbe, mint a Miller készülék. A probléma azonban a kísérleti körülmények és a Titan körülményei közötti különbség miatt nyilvánvalóvá vált. A nyomás és a hőmérséklet nem reprezentálta a Titan környezetét. Ezután úgy döntöttünk, hogy olyan kísérleteket hajtunk végre, amelyek reprodukálják a Titán sztratoszférájának nyomását és hőmérsékletét: 2% metán nitrogénben lévő gázkeveréke, alacsony nyomás (kb. 1 mbar) és kriogén rendszer az alacsony hőmérséklet elérése érdekében. Ezenkívül rendszert egy tiszta nitrogént tartalmazó kesztyűtartóba helyezzük, hogy elkerüljük a szilárd termékek környezeti levegővel történő szennyeződését.
AM: Mit gondolsz a legjobb energiaforrásnak a Titán szintetikus kémia kiváltására: a Saturni részecskék magnetoszféra, a napsugárzás vagy valami más?
JB: A tudósok azzal vitatkoznak, hogy melyik energiaforrás a legjobban szimulálja az energiaforrásokat a Titán légkörében. Ultraibolya (UV) sugárzás? Kozmikus sugarak? A Saturn magnetoszférájából származó elektronok és más energetikai részecskék? Mindegyik forrás érintett, de előfordulása a magasságtól függ: szélsőséges ultraibolya sugárzás és elektronok az ionoszférában, UV-fény a sztratoszférában, míg a kozmikus sugarak a troposzférában fordulnak elő.
Véleményem szerint a megfelelő kérdés a következő: Mi a kísérleti cél? Ha meg akarjuk érteni a hidrogén-cianid (HCN) kémiáját a Titán sztratoszférájában, akkor célszerű a HCN ultraibolya sugárzással történő szimulációja. Ha a cél a galaktikus kozmikus sugarak által generált elektromos mezők hatásainak meghatározása a troposzférában, akkor a szimulált Titan-atmoszféra koronás kisülése előnyösebb.
A Titan sztratoszférikus körülményeinek tanulmányozásakor az elektromos kisülést választottuk a szimulációnkban. Ezt a választást a tudósok egy kisebb része vitatja, mivel a Titan sztratoszférájának fő energiaforrása az UV sugárzás. De az eredményeink validálták kísérletünket. Az összes szerves fajt kimutattuk a Titanon. Megfigyelésük előtt megjósoltuk a CH3CN (acetonitril) jelenlétét. Első alkalommal detektáltuk a diciano-acetilént, a C4N2-t, szobahőmérsékleten instabil molekulát, amelyet a Titán légkörében is kimutattak. A kísérletünk során létrehozott szilárd termékek középső infravörös aláírása összhangban állt a Titan megfigyeléseivel.
AM: Hogyan szerepelnek az eredmények a Cassini-Huygens szonda tervezett légköri vizsgálatánál?
JB: Miután együttműködtünk egy franciaországi Observatoire Astronomique de Bordeaux csapatával, meghatároztuk az aeroszol-analógok dielektromos állandóit. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy megbecsüljük, hogy a Titan légköre és felületének tulajdonságai hogyan befolyásolhatják a Cassini-Huygens radarkísérletek teljesítményét. Az aeroszol tulajdonságai befolyásolhatják a Huygens-szonda fedélzeti magasságmérőjét, ám ennek eredményének megerősítéséhez kiegészítő kísérleteket kell végezni.
Két évvel ezelőtt bevezettünk egy N2 / CH4 / CO gázkeveréket (98 / 1,99 / 0,01). A cél az volt, hogy meghatározzuk a szén-monoxid, a legszélesebb oxigénnel kezelt vegyület Titánra gyakorolt hatását. Meglepő módon az oxiránt a gáznemű fázisban fedeztük fel, mint a fő oxigéntartalmú terméket. Ezt az instabil molekulát felfedezték a csillagközi közegben, de az elméleti modellek nem várják meg a Titan kémia szempontjából. De valószínűleg ez a molekula jelen van a Titanon.
Jelenleg a kísérleti reaktorunkban létrehozott első molekulákat, gyököket, atomokat és ionokat (vagy „fajokat”) elemezzük. Infravörös spektrometriát és UV-látható sugárzást használunk olyan gerjesztett fajok tanulmányozására, mint a CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. Ezután megfigyeljük a korrelációt ezeknek a fajoknak a bősége és a szilárd termékek szerkezete között. Ha ezeket a kísérleti eredményeket összekapcsoljuk egy portugáliai Portói Egyetemmel együttműködésben kifejlesztett elméleti modellel, jobban megértjük a kísérleti reaktorban előforduló kémiát. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy elemezzük a Cassini-Huygens adatait és a Titan ködképződését.
Csapatunk a misszióstudomány szintjén is részt vesz, mivel a misszió egyik tudósa szintén a csoportunkba tartozik a Laboratoire Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques-ban (LISA). Laboratóriumi tholineinket használjuk útmutatókként a Huygens szonda és a Cassini keringtető több eszközének kalibrálásához.
18 szerszám található a szonda és az orbiter fedélzetén. Kalibrációs tesztekre van szükség a gázkromatográfiához és a tömegspektroszkópiához [GC-MS]. A GC-MS azonosítja és mérni fogja a vegyi anyagokat a Titan légkörében.
Kalibrációs tesztekre is szükség van az Aerosol Collector és Pyrolyser (ACP) esetében. Ez a kísérlet az aeroszol részecskéket a légkörből szűrőkön keresztül vonja be, majd a befogott mintákat kemencékben melegíti az illékony anyagok elpárologtatása és az összetett szerves anyagok lebontása céljából.
A kompozit infravörös spektrométert (CIRS), a keringő hőmérőjét is kalibrálni kell. A Cassini-Huygens fedélzetén levő spektrométer a korábbi mély űrhajózási küldetésekhez képest jelentős javulás. A spektrális felbontása tízszer nagyobb, mint a Voyager űrhajó spektrométere.
AM: Van jövőterve erre a kutatásra?
JB: Következő lépésünk egy Marie-Claire Gazeau által kifejlesztett „SETUP” elnevezésű kísérlet. A kísérlet két részből áll: egy hideg plazma a nitrogén eloszlatása érdekében, és egy fotokémiai reaktor a metán fotodiszociációjához. Ez jobb globális szimulációt nyújt nekünk a Titan állapotáról.
Eredeti forrás: NASA Astrobiology Magazine
