Πιστωτική εικόνα: ESA
Χρειάζονται τουλάχιστον τρία στοιχεία για να φιλοξενήσουμε τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε: νερό, ενέργεια και ατμόσφαιρα. Μεταξύ του Άρη και των φεγγαριών γύρω από τον Δία και τον Κρόνο, υπάρχουν ενδείξεις για ένα ή δύο από αυτά τα τρία στοιχεία, αλλά λιγότερα είναι γνωστά εάν υπάρχει πλήρες σετ. Μόνο το φεγγάρι του Κρόνου, ο Τιτάνας, έχει μια ατμόσφαιρα συγκρίσιμη με την πίεση της Γης και είναι πολύ πιο παχιά από εκείνη του Άρη (1% της πίεσης της στάθμης της θάλασσας της Γης).
Το πιο ενδιαφέρον σημείο για τις προσομοιώσεις της ομίχλης υδρογονανθράκων του Τιτάνα είναι ότι αυτό το καπνιστό συστατικό περιέχει μόρια που ονομάζονται θολίν (από την ελληνική λέξη, λασπώδη) που μπορούν να αποτελέσουν τα θεμέλια των δομικών στοιχείων της ζωής. Για παράδειγμα, τα αμινοξέα, ένα από τα δομικά στοιχεία της επίγειας ζωής, σχηματίζονται όταν αυτά τα σωματίδια τύπου κόκκινου-καφέ αιθαλομίχλης τοποθετούνται σε νερό. Όπως επεσήμανε ο Carl Sagan, ο Τιτάνας μπορεί να θεωρηθεί ως ένας παράλληλος παράγοντας με την πρώιμη επίγεια ατμόσφαιρα σε σχέση με τη χημεία του και με αυτόν τον τρόπο, είναι σίγουρα σχετικό με την προέλευση της ζωής.
Αυτό το καλοκαίρι, το διαστημικό σκάφος Cassini της NASA, που ξεκίνησε το 1997, έχει προγραμματιστεί να περάσει σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο και τα φεγγάρια του για τέσσερα χρόνια. Στις αρχές του 2005, ο ανιχνευτής Huygens αναμένεται να βυθιστεί στην μουντή ατμόσφαιρα του Τιτάνα και να προσγειωθεί στην επιφάνεια του φεγγαριού. Υπάρχουν 12 όργανα στο διαστημικό σκάφος του διαστημικού σκάφους Cassini και 6 όργανα στο Huygens Probe. Ο ανιχνευτής Huygens προσανατολίζεται κυρίως στη δειγματοληψία της ατμόσφαιρας. Ο ανιχνευτής είναι εξοπλισμένος για λήψη μετρήσεων και καταγραφή εικόνων για έως και μισή ώρα στην επιφάνεια. Αλλά ο ανιχνευτής δεν έχει πόδια, οπότε όταν βγει στην επιφάνεια του Τιτάνα, ο προσανατολισμός του θα είναι τυχαίος. Και η προσγείωσή του μπορεί να μην γίνεται από έναν ιστότοπο που φέρει οργανικά. Οι εικόνες όπου βρίσκεται το Cassini στην τρέχουσα τροχιά του ενημερώνονται συνεχώς και διατίθενται για προβολή καθώς προχωρά η αποστολή.
Το Astrobiology Magazine είχε την ευκαιρία να μιλήσει με τον ερευνητή, Jean-Michel Bernard του Πανεπιστημίου του Παρισιού, σχετικά με τον τρόπο προσομοίωσης της σύνθετης χημείας του Τιτάνα σε έναν επίγειο δοκιμαστικό σωλήνα. Οι προσομοιώσεις του για το περιβάλλον του Τιτάνα βασίζονται στην κλασική πρεβιοτική σούπα, που πρωτοστάτησε πριν από πενήντα χρόνια από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Σικάγο, Harold Urey και Stanley Miller.
Περιοδικό Αστροβιολογίας (AM): Τι προκάλεσε το ενδιαφέρον σας για την ατμοσφαιρική χημεία του Τιτάνα;
Jean-Michel Bernard (JB): Πώς δημιουργούν δύο απλά μόρια (άζωτο και μεθάνιο) μια πολύ περίπλοκη χημεία; Η χημεία γίνεται βιοχημεία; Οι πρόσφατες ανακαλύψεις της ζωής σε ακραίες συνθήκες στη Γη (βακτήρια στο Νότιο Πόλο στους -40 ° C και archaea σε περισσότερο από +110 ° C κοντά σε υδροθερμικές πηγές) επιτρέπουν να υποθέσουμε ότι η ζωή θα μπορούσε να είναι παρούσα σε άλλους κόσμους και άλλους συνθήκες.
Ο Τιτάνας έχει αστροβιολογικό ενδιαφέρον επειδή είναι ο μόνος δορυφόρος στο ηλιακό σύστημα με πυκνή ατμόσφαιρα. Η ατμόσφαιρα του Τιτάνα αποτελείται από άζωτο και μεθάνιο. Τα ενεργητικά σωματίδια που προέρχονται από το περιβάλλον του Ήλιου και του Κρόνου επιτρέπουν σύνθετη χημεία, όπως σχηματισμό υδρογονανθράκων και νιτριλίων. Τα σωματίδια δημιουργούν επίσης μόνιμη ομίχλη γύρω από τον δορυφόρο, βροχές μεθανίου, ανέμους, εποχές Πρόσφατα, λίμνες υδρογονανθράκων φαίνεται να έχουν εντοπιστεί στην επιφάνεια του Τιτάνα. Πιστεύω ότι αυτή η ανακάλυψη, εάν επιβεβαιωθεί από την αποστολή Cassini-Huygens, θα έχει μεγάλο ενδιαφέρον.
Θα έκανε τον Τιτάνα ανάλογο με τη Γη, αφού θα είχε μια ατμόσφαιρα (αέριο), λίμνες (υγρό), ομίχλη και έδαφος (στερεό), τα τρία απαραίτητα περιβάλλοντα για την εμφάνιση της ζωής.
Η σύνθεση της ομίχλης του Τιτάνα είναι άγνωστη. Μόνο οπτικά δεδομένα είναι διαθέσιμα και είναι δύσκολο να αναλυθούν λόγω της πολυπλοκότητας αυτού του ανθρακούχου υλικού. Έχουν διεξαχθεί πολλά πειράματα για να μιμηθούν τη χημεία της ατμόσφαιρας του Τιτάνα, ιδίως τα ανάλογα αερολύματος που ονομάζονται «θολίν» από την ομάδα του Carl Sagan. Φαίνεται ότι τα θολίν μπορούν να εμπλακούν στην προέλευση της ζωής. Πράγματι, η υδρόλυση αυτών των αναλόγων αερολύματος Τιτανίου οδηγεί στο σχηματισμό αμινοξέων, των προδρόμων της ζωής.
ΕΙΜΑΙ: Μπορείτε να περιγράψετε την πειραματική σας προσομοίωση για την επέκταση των πειραμάτων Miller-Urey με τρόπο προσαρμοσμένο στις χαμηλές θερμοκρασίες και τη μοναδική χημεία του Τιτάνα;
JB: Από τα πειράματα Miller-Urey, έχουν πραγματοποιηθεί πολλές πειραματικές προσομοιώσεις του υποτιθέμενου πρεβιοτικού συστήματος. Αλλά μετά την ανάκτηση των δεδομένων του Voyager, φάνηκε απαραίτητο να επιστρέψουμε σε αυτήν την προσέγγιση για να προσομοιώσουμε την ατμόσφαιρα του Τιτάνα. Στη συνέχεια, αρκετοί επιστήμονες πραγματοποίησαν τέτοια πειράματα προσομοίωσης εισάγοντας ένα μείγμα αζώτου-μεθανίου σε ένα σύστημα όπως η συσκευή του Miller. Αλλά ένα πρόβλημα έγινε προφανές λόγω της διαφοράς μεταξύ των πειραματικών συνθηκών και των συνθηκών του Τιτάνα. Η πίεση και η θερμοκρασία δεν ήταν αντιπροσωπευτικές του περιβάλλοντος του Τιτάνα. Στη συνέχεια, αποφασίσαμε να πραγματοποιήσουμε πειράματα που αναπαράγουν την πίεση και τη θερμοκρασία της στρατόσφαιρας του Τιτάνα: ένα μείγμα αερίων μεθανίου 2% σε άζωτο, χαμηλή πίεση (περίπου 1 mbar) και ένα κρυογονικό σύστημα για να έχουμε χαμηλή θερμοκρασία. Επιπλέον, το σύστημά μας τοποθετείται σε ένα κουτί με γάντι που περιέχει καθαρό άζωτο για να αποφευχθεί η μόλυνση των στερεών προϊόντων από τον αέρα του περιβάλλοντος.
ΕΙΜΑΙ: Ποια θεωρείτε την καλύτερη πηγή ενέργειας για την ενεργοποίηση της συνθετικής χημείας του Τιτάνα: τη μαγνητόσφαιρα των σωματιδίων του Κρόνου, την ηλιακή ακτινοβολία ή κάτι άλλο;
JB: Οι επιστήμονες συζητούν για το ποια πηγή ενέργειας θα μπορούσε να προσομοιώσει καλύτερα τις πηγές ενέργειας στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα. Υπεριώδης ακτινοβολία (UV); Κοσμικές ακτίνες? Ηλεκτρόνια και άλλα ενεργητικά σωματίδια που προέρχονται από τη μαγνητόσφαιρα του Κρόνου; Όλες αυτές οι πηγές εμπλέκονται, αλλά η εμφάνισή τους εξαρτάται από το υψόμετρο: ακραία υπεριώδη ακτινοβολία και ηλεκτρόνια στην ιονόσφαιρα, υπεριώδες φως στη στρατόσφαιρα, ενώ οι κοσμικές ακτίνες εμφανίζονται στην τροπόσφαιρα.
Πιστεύω ότι η κατάλληλη ερώτηση πρέπει να είναι: Ποιος είναι ο πειραματικός στόχος; Αν θέλετε να κατανοήσετε τη χημεία του υδροκυανίου (HCN) στη στρατόσφαιρα του Τιτάνα, είναι κατάλληλη μια προσομοίωση με υπεριώδη ακτινοβολία του HCN. Εάν ο στόχος είναι να προσδιοριστούν τα αποτελέσματα των ηλεκτρικών πεδίων που δημιουργούνται από γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες στην τροπόσφαιρα, προτιμάται η εκροή κορώνας μιας προσομοιωμένης ατμόσφαιρας Τιτάνα.
Στη μελέτη των στρατοσφαιρικών συνθηκών του Τιτάνα, επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε μια ηλεκτρική εκκένωση στην προσομοίωσή μας. Αυτή η επιλογή αμφισβητείται από μια μειοψηφία επιστημόνων επειδή η κύρια πηγή ενέργειας στη στρατόσφαιρα του Τιτάνα είναι η υπεριώδης ακτινοβολία. Αλλά τα αποτελέσματά μας επικύρωσαν το πείραμά μας. Εντοπίσαμε όλα τα οργανικά είδη που παρατηρήθηκαν στον Τιτάνα. Προβλέψαμε την παρουσία CH3CN (ακετονιτρίλιο) πριν από την παρατήρησή του. Ανιχνεύσαμε για πρώτη φορά δικυανοακετυλένιο, C4N2, ένα ασταθές μόριο σε θερμοκρασία δωματίου που έχει επίσης εντοπιστεί στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα. Η μεσαία υπέρυθρη υπογραφή των στερεών προϊόντων που δημιουργήθηκαν στο πείραμά μας ήταν σύμφωνη με τις παρατηρήσεις του Τιτάνα.
ΕΙΜΑΙ: Πώς αποτελούν τα αποτελέσματά σας μέρος των προγραμματισμένων ατμοσφαιρικών δοκιμών για τον καθετήρα Cassini-Huygens;
JB: Μετά τη συνεργασία με μια ομάδα από το Observatoire Astronomique de Bordeaux στη Γαλλία, προσδιορίσαμε τις διηλεκτρικές σταθερές αναλόγων αερολύματος. Αυτό θα μας επιτρέψει να εκτιμήσουμε πώς η ατμόσφαιρα και οι επιφανειακές ιδιότητες του Τιτάνα θα μπορούσαν να επηρεάσουν την απόδοση των πειραμάτων ραντάρ Cassini-Huygens. Το υψόμετρο επί του ανιχνευτή Huygens θα μπορούσε να επηρεαστεί από τις ιδιότητες αερολύματος, αλλά πρέπει να διεξαχθούν συμπληρωματικά πειράματα για να επιβεβαιωθεί αυτό το αποτέλεσμα.
Πριν από δύο χρόνια, παρουσιάσαμε ένα μείγμα αερίου, N2 / CH4 / CO (98 / 1,99 / 0,01). Ο στόχος ήταν να προσδιοριστεί η επίδραση του μονοξειδίου του άνθρακα, της πιο άφθονης οξυγονωμένης ένωσης στον Τιτάνα. Παραδόξως, εντοπίσαμε το οξυράνιο στην αέρια φάση ως το κύριο οξυγονωμένο προϊόν. Αυτό το ασταθές μόριο ανακαλύφθηκε στο διαστρικό μέσο, αλλά τα θεωρητικά μοντέλα δεν το προβλέπουν για τη χημεία του Τιτάνα. Ωστόσο, ίσως αυτό το μόριο υπάρχει στον Τιτάνα.
Επί του παρόντος, αναλύουμε τα πρώτα μόρια, ρίζες, άτομα και ιόντα (ή «είδη») που δημιουργήθηκαν μέσα στον πειραματικό αντιδραστήρα μας. Χρησιμοποιούμε υπέρυθρη φασματομετρία και ορατές εκπομπές UV για να μελετήσουμε διεγερμένα είδη όπως CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. Στη συνέχεια, θα παρατηρήσουμε τη σχέση μεταξύ της αφθονίας αυτών των ειδών και των δομών των στερεών προϊόντων. Συνδυάζοντας αυτά τα πειραματικά αποτελέσματα με ένα θεωρητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Πόρτο στην Πορτογαλία, θα έχουμε καλύτερη κατανόηση για τη χημεία που συμβαίνει στον πειραματικό αντιδραστήρα. Αυτό θα μας επιτρέψει να αναλύσουμε τα δεδομένα Cassini-Huygens και τον σχηματισμό θολότητας του Τιτάνα.
Η ομάδα μας συμμετέχει και στο επιστημονικό επίπεδο της αποστολής, καθώς ένας από τους επιστήμονες της αποστολής είναι επίσης στην ομάδα μας στο Laboratoire Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques, LISA). Τα εργαστηριακά θολίν μας θα χρησιμοποιηθούν ως οδηγοί για τη βαθμονόμηση πολλών από τα όργανα του ανιχνευτή Huygens και του τροχού Cassini.
Υπάρχουν 18 όργανα στον ανιχνευτή και σε τροχιά. Απαιτούνται δοκιμές βαθμονόμησης για αέρια χρωματογραφία και φασματοσκοπία μάζας [GC-MS]. Το GC-MS θα εντοπίσει και θα μετρήσει χημικά στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα.
Απαιτούνται επίσης δοκιμές βαθμονόμησης για το Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP). Αυτό το πείραμα θα αντλήσει σωματίδια αερολύματος από την ατμόσφαιρα μέσω φίλτρων και στη συνέχεια θα θερμάνει τα παγιδευμένα δείγματα σε φούρνους για να εξατμιστούν τα πτητικά και να αποσυντεθούν τα σύνθετα οργανικά υλικά.
Το σύνθετο υπέρυθρο φασματόμετρο (CIRS), ένα θερμικό όργανο μέτρησης στον τροχιά, πρέπει επίσης να βαθμονομηθεί. Σε σύγκριση με προηγούμενες αποστολές μεγάλου διαστήματος, το φασματόμετρο Cassini-Huygens είναι μια σημαντική βελτίωση, με φασματική ανάλυση δέκα φορές υψηλότερη από το φασματόμετρο του διαστημικού σκάφους Voyager.
ΕΙΜΑΙ: Έχετε μελλοντικά σχέδια για αυτήν την έρευνα;
JB: Το επόμενο βήμα μας είναι ένα πείραμα που αναπτύχθηκε από τη Marie-Claire Gazeau, που ονομάζεται "SETUP". Το πείραμα έχει δύο μέρη: ένα ψυχρό πλάσμα για τη διάσπαση του αζώτου και έναν φωτοχημικό αντιδραστήρα για τη διάσπαση του μεθανίου. Αυτό θα μας δώσει μια καλύτερη παγκόσμια προσομοίωση της κατάστασης του Τιτάνα.
Πρωτότυπη πηγή: Περιοδικό της Αστροβιολογίας της NASA
