Trots att Cassini orbiter avslutade sitt uppdrag den 15 september 2017, data som den samlade om Saturnus och dess största måne, Titan, fortsätter att förvånas och förvånas. Under de tretton åren som den spenderade i kretslopp kring Saturnus och ledde svampar av sina månar samlade sonden en mängd data om Titans atmosfär, yta, metansjöar och den rika organiska miljön som forskarna fortsätter att porera över.
Till exempel är det frågan om de mystiska ”sanddynerna” på Titan, som verkar vara organiska i naturen och vars struktur och ursprung fortfarande har förblivit ett mysterium. För att ta itu med dessa mysterier genomförde ett team av forskare från John Hopkins University (JHU) och forskningsföretaget Nanomechanics nyligen en studie av Titans sanddyner och drog slutsatsen att de troligen bildades i Titans ekvatorialregioner.
Deras studie, "Var kommer Titan Sand kommer ifrån: Insikt från mekaniska egenskaper hos Titan Sand-kandidater", nyligen dykt upp online och har lämnats in till Journal of Geophysical Research: Planets. Studien leddes av Xinting Yu, en forskarstuderande vid Institutionen för jord- och planetiska vetenskaper (EPS) vid JHU, och inkluderade EPS-lektorer Sarah Horst (Yus rådgivare) Chao He och Patricia McGuiggan, med stöd från Bryan Crawford från Nanomechanics Inc.
För att bryta ner det sågs Titans sanddyner ursprungligen av Cassinis radarinstrument i Shangri-La-regionen nära ekvatorn. Bilderna som sonden erhöll visade långa, linjära mörka strimmor som såg ut som vind-svepte sanddyner liknande de som finns på jorden. Sedan deras upptäckt har forskare teoretiserat att de består av kolvätskorn som har sett sig på ytan från Titans atmosfär.
Tidigare har forskare antagit att de bildas i de nordliga regionerna runt Titans metansjöar och distribueras till ekvatorialregionen av månens vindar. Men var dessa korn faktiskt kom från, och hur de kom till att distribueras i dessa sandliknande formationer, har förblivit ett mysterium. Men som Yu förklarade Space Magazine via e-post, är det bara en del av det som gör dessa sanddynor mystiska:
”Först förväntade ingen att se några sanddyner på Titan före Cassini-Huygens-uppdraget, eftersom globala cirkulationsmodeller förutspådde vindhastigheterna på Titan är för svaga för att blåsa materialen för att bilda sanddyner. Men genom Cassini såg vi stora linjära dynfält som täcker nästan 30% av de ekvatoriala regionerna i Titan!
"För det andra är vi inte säkra på hur Titansand bildas. Dimmaterial på Titan är helt annorlunda än de på jorden. På jorden är dynmaterial främst silikatsandfragment väder från silikatstenar. Medan du är på Titan är dynmaterial komplexa organiska material som bildas av fotokemi i atmosfären och faller till marken. Studier visar att sandpartiklarna är ganska stora (minst 100 mikron), medan fotokemin bildade organiska partiklar är fortfarande ganska små nära ytan (endast cirka 1 mikron). Så vi är inte säkra på hur de små organiska partiklarna förvandlas till de stora sanddynpartiklarna (du behöver en miljon små organiska partiklar för att bilda en enda sandpartikel!)
”För det tredje vet vi inte var de organiska partiklarna i atmosfären bearbetas för att bli större för att bilda dynpartiklarna. En del forskare tror att dessa partiklar kan bearbetas överallt för att bilda dynpartiklarna, medan vissa andra forskare tror att deras bildning måste involveras med Titans vätskor (metan och etan), som för närvarande bara finns i polära regioner. "
För att belysa detta genomförde Yu och hennes kollegor en serie experiment för att simulera material som transporteras på både mark och iskroppar. Detta bestod av att använda flera naturliga jordssandar, som silikatstrandsand, karbonatsand och vit gyspumsand. För att simulera de typer av material som finns på Titan, använde de laboratorieproducerade toliner, som är metanmolekyler som har utsatts för UV-strålning.
Produktionen av toliner genomfördes specifikt för att återskapa de typer av organiska aerosoler och fotokemiska förhållanden som är vanliga på Titan. Detta gjordes med hjälp av det experimentella systemet Planetarium HAZE Research (PHAZER) vid Johns Hopkins University - för vilken huvudundersökaren är Sarah Horst. Det sista steget bestod av att använda en nanoidentifieringsteknik (övervakad av Bryan Crawford från Nanometrics Inc.) för att studera de mekaniska egenskaperna hos de simulerade sand- och tholinerna.
Detta bestod av att placera sandsimulanter och tollar i en vindtunnel för att bestämma deras rörlighet och se om de kunde distribueras i samma mönster. Som Yu förklarade:
”Motivationen bakom studien är att försöka besvara det tredje mysteriet. Om sandmaterialen bearbetas genom vätskor, som är belägna i de polära regionerna i Titan, måste de vara tillräckligt starka för att transporteras från polerna till ekvatorialområdena i Titan, där de flesta sanddynerna finns. Tolinerna som vi producerade i labbet är emellertid i extremt låga mängder: tjockleken på tolinfilmen som vi producerade är bara cirka 1 mikron, cirka 1 / 10-1 / 100 av människohårens tjocklek. För att hantera detta använde vi en mycket spännande och exakt nanoskala-teknik, nanoindentation, för att utföra mätningarna. Även om de producerade fördjupningarna och sprickorna är alla i nanometerskala, kan vi fortfarande exakt bestämma mekaniska egenskaper som Youngs modul (indikator på styvhet), nanoindikationshårdhet (hårdhet) och sprickhårdhet (indikator på sprödhet) hos tunnfilmen. "
I slutändan bestämde teamet att de organiska molekylerna som finns på Titan är mycket mjukare och mer spröda jämfört med även de mjukaste sand på jorden. Enkelt uttryckt tycktes tolinerna som de producerade inte ha styrkan att resa det enorma avståndet som ligger mellan Titans norra metansjöar och ekvatorialområdet. Från detta drog de slutsatsen att den organiska sanden på Titan troligen bildas nära där de är belägna.
"Och deras bildning kanske inte involverar vätskor på Titan, eftersom det skulle kräva ett stort transportavstånd på över 2000 kilometer från Titans poler till ekvatorn," tillade Yu. ”De mjuka och spröda organiska partiklarna skulle slipas till damm innan de når ekvatorn. Vår studie använde en helt annan metod och förstärkte några resultat som härleddes från Cassini-observationer. ”
I slutändan representerar denna studie en ny riktning för forskare när det gäller studien av Titan och andra organ i solsystemet. Som Yu förklarade, tidigare, var forskare oftast begränsade med Cassini data och modellering för att svara på frågor om Titans sanddyner. Men Yu och hennes kollegor kunde använda laboratorieproducerade analoger för att hantera dessa frågor, trots att Cassini uppdraget är nu slut.
Dessutom kommer den senaste studien säkert att vara av enormt värde när forskarna fortsätter att hålla på Cassinis data i väntan på framtida uppdrag till Titan. Dessa uppdrag syftar till att studera Titans sanddyner, metan sjöar och rik organisk kemi mer detaljerat. Som Yu förklarade:
"[O] ur resultat kan inte bara hjälpa till att förstå ursprunget till Titans sanddyner och sand, utan det kommer också att ge avgörande information för potentiella framtida landningsuppdrag på Titan, till exempel Dragonfly (en av två finalister (av tolv förslag) som valts ut för ytterligare konceptutveckling av NASA: s New Frontiers-program). De organiska egenskaperna hos de organiska materialen på Titan kan faktiskt ge fantastiska ledtrådar för att lösa några av mysterierna på Titan.
”I en studie som vi publicerade förra året i JGR-planeter (2017, 122, 2610–2622), fick vi reda på att interpartikelkrafterna mellan tholinpartiklar är mycket större än vanlig sand på jorden, vilket betyder att de organiska ämnena på Titan är mycket mer sammanhängande (eller klibbigare) än silikatsand på jorden. Detta innebär att vi behöver en större vindhastighet för att blåsa sandpartiklarna på Titan, vilket kan hjälpa modelleringsforskarna att svara på det första mysteriet. Det antyder också att Titansand kan bildas genom enkel koagulering av organiska partiklar i atmosfären, eftersom de är mycket lättare att fästa samman. Detta kan hjälpa till att förstå det andra mysteriet om Titans sanddyner. ”
Dessutom har denna studie konsekvenser för studien av andra organ än Titan. "Vi har hittat organiska ämnen på många andra solsystemkroppar, särskilt isiga kroppar i det yttre solsystemet, som Pluto, Neptuns mån Triton och kometen 67P," sade Yu. ”Och några av de organiska produkterna är fotokemiskt producerade på samma sätt som Titan. Och vi hittade vindblåsade funktioner (kallade aoliska funktioner) också på dessa kroppar, så våra resultat kan också tillämpas på dessa planetariska kroppar. ”
Under det kommande decenniet förväntas flera uppdrag att utforska månarna i det yttre solsystemet och avslöja saker om deras rika miljöer som kan hjälpa till att belysa livets ursprung här på jorden. Dessutom har James Webb rymdteleskop (nu förväntas distribueras 2021) kommer också att använda sin avancerade utrustning för att studera solsystemets planeter i hopp om att hantera dessa brinnande frågor.
