Изображение предоставлено: ESA
Чтобы укрыть жизнь, как мы ее знаем, требуется как минимум три элемента: вода, энергия и атмосфера. Среди Марса и спутников вокруг Юпитера и Сатурна есть доказательства наличия одного или двух из этих трех элементов, но известно меньше, если имеется полный набор. Только луна Сатурна, Титан, имеет атмосферу, сравнимую с давлением Земли, и она намного толще марсианской (1% от давления на уровне моря на Земле).
Самым интересным моментом при моделировании углеводородной дымки Титана является то, что этот смогенный компонент содержит молекулы, называемые толинами (от греческого слова «мутный»), которые могут формировать основы строительных блоков жизни. Например, аминокислоты, один из строительных блоков земной жизни, образуются, когда эти красно-коричневые смогоподобные частицы помещаются в воду. Как отметил Карл Саган, Титан можно рассматривать как широкую параллель с ранней земной атмосферой в отношении его химии, и, таким образом, он, безусловно, имеет отношение к происхождению жизни.
Этим летом космический корабль НАСА Cassini, запущенный в 1997 году, должен выйти на орбиту вокруг Сатурна и его спутников в течение четырех лет. В начале 2005 года запланировано, что совмещенный зонд Гюйгенс погрузится в туманную атмосферу Титана и приземлится на поверхность Луны. На борту космического корабля Cassini имеется 12 инструментов и 6 инструментов на приборе Гюйгенса. Зонд Гюйгенса предназначен главным образом для отбора проб атмосферы. Зонд оборудован для проведения измерений и записи изображений на поверхности до получаса. Но у зонда нет ног, поэтому, когда он садится на поверхность Титана, его ориентация будет случайной. И его посадка не может быть на месте, несущем органику. Изображения того места, где Кассини находится на своей текущей орбите, постоянно обновляются и доступны для просмотра по мере выполнения миссии.
Журнал Astrobiology Magazine имел возможность поговорить с ученым-исследователем Жаном-Мишелем Бернаром из Парижского университета о том, как моделировать сложную химию Титана в наземной пробирке. Его моделирование окружающей среды Титана основано на классическом пребиотическом супе, впервые предложенном пятьдесят лет назад исследователями из Чикагского университета Гарольдом Юри и Стэнли Миллером.
Астробиологический Журнал (AM): Что в первую очередь стимулировало ваш интерес к химии атмосферы Титана?
Жан-Мишель Бернар (JB): Как две простые молекулы (азот и метан) создают очень сложную химию? Химия становится биохимией? Недавние открытия жизни в экстремальных условиях на Земле (бактерии на Южном полюсе при -40 ° С и археи при температуре выше + 110 ° С в районе гидротермальных источников) позволяют предположить, что жизнь может присутствовать в других мирах и других условия.
Титан имеет астробиологический интерес, потому что это единственный спутник в солнечной системе с плотной атмосферой. Атмосфера Титана состоит из азота и метана. Энергетические частицы, приходящие из Солнца и окружающей среды Сатурна, допускают сложную химию, такую как образование углеводородов и нитрилов. Частицы также создают постоянную дымку вокруг спутника, дожди метана, ветра, времена года. Недавно на поверхности Титана были обнаружены озера углеводородов. Я думаю, что это открытие, если оно будет подтверждено миссией Кассини-Гюйгенса, будет представлять большой интерес.
Это сделало бы Титан аналогом Земли, поскольку в нем были бы атмосфера (газ), озера (жидкость), дымка и почва (твердое тело), три необходимые среды для появления жизни.
Состав тумана Титана неизвестен. Доступны только оптические данные, которые трудно анализировать из-за сложности этого углеродистого материала. Было проведено много экспериментов, чтобы имитировать химический состав атмосферы Титана, в частности, аналоги аэрозолей, названные «tholins» группой Карла Сагана. Кажется, что толины могут быть вовлечены в происхождение жизни. Действительно, гидролиз этих аналогов аэрозоля Титана приводит к образованию аминокислот, предшественников жизни.
AM: Можете ли вы описать свою экспериментальную симуляцию для расширения экспериментов Миллера-Юри в соответствии с низкими температурами и уникальной химией Титана?
JB: После экспериментов Миллера-Юри было проведено много экспериментальных симуляций предполагаемой пребиотической системы. Но после получения данных «Вояджера» возникла необходимость вернуться к этому подходу, чтобы смоделировать атмосферу Титана. Затем несколько ученых провели такие эксперименты по моделированию, введя смесь азота и метана в систему, подобную аппаратуре Миллера. Но проблема стала очевидной из-за разницы между условиями эксперимента и условиями Титана. Давление и температура не были характерны для окружающей среды Титана. Затем мы решили провести эксперименты, которые воспроизводят давление и температуру стратосферы Титана: газовая смесь 2% метана в азоте, низкое давление (около 1 мбар) и криогенная система, чтобы иметь низкую температуру. Кроме того, наша система помещена в перчаточный ящик, содержащий чистый азот, чтобы избежать загрязнения окружающим воздухом твердых продуктов.
AM: Что вы считаете лучшим источником энергии для запуска синтетической химии Титана: магнитосфера частиц Сатурна, солнечная радиация или что-то еще?
JB: Ученые спорят о том, какой источник энергии лучше всего имитирует источники энергии в атмосфере Титана. Ультрафиолетовое (УФ) излучение? Космические лучи? Электроны и другие энергетические частицы, приходящие из магнитосферы Сатурна? Все эти источники вовлечены, но их появление зависит от высоты: экстремальное ультрафиолетовое излучение и электроны в ионосфере, ультрафиолетовое излучение в стратосфере, в то время как космические лучи происходят в тропосфере.
Я думаю, что соответствующий вопрос должен быть: какова цель эксперимента? Чтобы понять химию цианистого водорода (HCN) в стратосфере Титана, уместно моделировать ультрафиолетовое излучение HCN. Если цель состоит в том, чтобы определить влияние электрических полей, создаваемых галактическими космическими лучами в тропосфере, то предпочтительным является коронный разряд моделируемой атмосферы Титана.
При изучении стратосферных условий Титана, мы решили использовать электрический разряд в нашей симуляции. Этот выбор оспаривается меньшинством ученых, поскольку основным источником энергии в стратосфере Титана является УФ-излучение. Но наши результаты подтвердили наш эксперимент. Мы обнаружили все органические виды, наблюдаемые на Титане. Мы предсказали присутствие CH3CN (ацетонитрила) перед его наблюдением. Мы впервые обнаружили дицианоацетилен C4N2, нестабильную молекулу при комнатной температуре, которая также была обнаружена в атмосфере Титана. Средняя инфракрасная сигнатура твердых продуктов, созданных в нашем эксперименте, соответствовала наблюдениям Титана.
AM: Как ваши результаты являются частью запланированных атмосферных испытаний зонда Кассини-Гюйгенса?
JB: После сотрудничества с группой из Обсерватории астрономии Бордо во Франции мы определили диэлектрические постоянные аэрозольных аналогов. Это позволит нам оценить, каким образом атмосфера и свойства поверхности Титана могут повлиять на результаты радиолокационных экспериментов Кассини-Гюйгенса. Альтиметр на борту зонда Гюйгенса может зависеть от свойств аэрозоля, но для подтверждения этого результата необходимо провести дополнительные эксперименты.
Два года назад мы представили газовую смесь N2 / CH4 / CO (98 / 1,99 / 0,01). Цель состояла в том, чтобы определить влияние угарного газа, наиболее распространенного оксигенированного соединения на Титане. Удивительно, но мы обнаружили оксиран в газовой фазе в качестве основного оксигенированного продукта. Эта нестабильная молекула была обнаружена в межзвездной среде, но теоретические модели не предсказывают ее для химии Титана. И все же, возможно, эта молекула присутствует на Титане.
В настоящее время мы анализируем первые молекулы, радикалы, атомы и ионы (или «виды»), созданные внутри нашего экспериментального реактора. Мы используем инфракрасную спектрометрию и ультрафиолетовое излучение для изучения возбужденных видов, таких как CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. Далее мы будем наблюдать корреляцию между численностью этих видов и структур твердых продуктов. Сопоставляя эти экспериментальные результаты с теоретической моделью, разработанной в сотрудничестве с Университетом Порто в Португалии, мы лучше поймем химию, возникающую в экспериментальном реакторе. Это позволит нам проанализировать данные Кассини-Гюйгенса и образование тумана на Титане.
Наша команда также участвует на уровне науки о миссиях, так как один из ученых миссии также входит в нашу группу в Лабораторном межуниверситетском институте естественных наук (LISA). Наши лабораторные толины будут использоваться в качестве руководства для калибровки нескольких инструментов на датчике Гюйгенса и орбитальном аппарате Кассини.
На борту зонда и орбитального аппарата 18 приборов. Калибровочные тесты необходимы для газовой хроматографии и масс-спектроскопии [ГХ-МС]. GC-MS будет определять и измерять химические вещества в атмосфере Титана.
Калибровочные испытания также необходимы для сборщика аэрозоля и пиролизера (ACP). Этот эксперимент будет втягивать аэрозольные частицы из атмосферы через фильтры, а затем нагревать захваченные образцы в печах для испарения летучих веществ и разложения сложных органических материалов.
Композитный инфракрасный спектрометр (CIRS), тепловой измерительный прибор на орбите, также должен быть откалиброван. По сравнению с предыдущими полетами в дальний космос, спектрометр на борту Cassini-Huygens является значительным улучшением, с спектральным разрешением, в десять раз превышающим спектрометр космического корабля Voyager.
AM: Есть ли у вас планы на будущее для этого исследования?
JB: Наш следующий шаг - эксперимент, разработанный Мари-Клер Газо, под названием «SETUP». Эксперимент состоит из двух частей: холодной плазмы для диссоциации азота и фотохимического реактора для фотодиссоциации метана. Это даст нам лучшую глобальную симуляцию состояния Титана.
Источник: NASA Astrobiology Magazine
