Хотя Кассини Орбитальный аппарат завершил свою миссию 15 сентября 2017 года, данные, которые он собрал о Сатурне и его самой большой луне, Титане, продолжает поражать и поражать. За тринадцать лет, которые он провел на орбите Сатурна и проводил полеты на своих спутниках, зонд собрал множество данных об атмосфере, поверхности, метановых озерах и богатой органической среде Титана, которые ученые продолжают изучать.
Например, речь идет о таинственных «песчаных дюнах» на Титане, которые кажутся органическими по своей природе и чье строение и происхождение остаются загадкой. Чтобы разобраться с этими загадками, группа ученых из Университета Джона Хопкинса (JHU) и исследовательской компании Nanomechanics недавно провела исследование дюн Титана и пришла к выводу, что они, вероятно, образовались в экваториальных районах Титана.
Их исследование «Откуда берется титановый песок: понимание механических свойств кандидатов на титановый песок», недавно появилось в Интернете и было представлено Журнал геофизических исследований: планеты. Исследование проводилось под руководством Xinting Yu, аспиранта факультета наук о Земле и планетах (EPS) в JHU, и в его состав входили ассистенты профессора EPS Сара Хорст (советник Yu) Чао Хе и Патриция Макгигган, при поддержке Брайана Кроуфорда из Наномеханика Inc.
Чтобы сломать это, песчаные дюны Титана были первоначально замечены Кассини радиолокационные приборы в районе Шангри-Ла вблизи экватора. На снимках, полученных зондом, были видны длинные линейные темные полосы, похожие на дюны, похожие на найденные на Земле. С момента их открытия ученые предположили, что они состоят из зерен углеводородов, осевших на поверхности из атмосферы Титана.
В прошлом ученые предполагали, что они образуются в северных районах вокруг метановых озер Титана и распространяются в экваториальной области под действием лунных ветров. Но откуда на самом деле пришли эти зерна и как они распределились в этих дюноподобных образованиях, так и осталось загадкой. Однако, как объяснил Юй Space Magazine по электронной почте, это лишь часть того, что делает эти дюны загадочными:
«Во-первых, никто не ожидал увидеть песчаные дюны на Титане до миссии Кассини-Гюйгенс, потому что модели глобальной циркуляции предсказывали, что скорости ветра на Титане слишком слабы, чтобы взорвать материалы, чтобы образовать дюны. Однако через Кассини мы увидели огромные линейные поля дюн, которые покрывают почти 30% экваториальных областей Титана!
«Во-вторых, мы не уверены, как образуются пески Титана. Материалы на Титане абсолютно отличаются от материалов на Земле. На Земле дюнными материалами являются преимущественно фрагменты силикатного песка, выветренные из силикатных пород. Находясь на Титане, материалы дюн представляют собой сложную органику, образованную фотохимией в атмосфере, падающей на землю. Исследования показывают, что частицы дюны довольно большие (по крайней мере, 100 микрон), в то время как фотохимия, образованная органическими частицами, все еще довольно мала у поверхности (всего около 1 микрона). Таким образом, мы не уверены, как маленькие органические частицы превращаются в большие частицы песчаной дюны (вам нужен миллион маленьких органических частиц, чтобы сформировать одну единственную частицу песка!)
«В-третьих, мы также не знаем, где обрабатываются органические частицы в атмосфере, чтобы стать больше, чтобы сформировать частицы дюны. Некоторые ученые считают, что эти частицы могут быть обработаны повсюду с образованием частиц дюны, в то время как некоторые другие исследователи считают, что их образование должно быть связано с жидкостями Титана (метаном и этаном), которые в настоящее время находятся только в полярных регионах ».
Чтобы пролить свет на это, Ю и ее коллеги провели серию экспериментов по моделированию материалов, транспортируемых как на земных, так и на ледяных телах. Это состояло из использования нескольких естественных земных песков, таких как силикатный пляжный песок, карбонатный песок и белый песок из гипса. Для имитации видов материалов, найденных на Титане, они использовали производимые в лаборатории толины, представляющие собой молекулы метана, подвергшиеся воздействию УФ-излучения.
Производство толинов было специально проведено для воссоздания видов органических аэрозолей и условий фотохимии, которые распространены на Титане. Это было сделано с использованием экспериментальной системы Planetary HAZE Research (PHAZER) в Университете Джона Хопкинса, основным исследователем которой является Сара Хорст. Последний шаг состоял в использовании метода наноидентификации (под наблюдением Брайана Кроуфорда из Nanometrics Inc.) для изучения механических свойств моделируемых песков и толинов.
Это состояло из помещения имитаторов песка и толинов в аэродинамическую трубу, чтобы определить их подвижность и посмотреть, можно ли их распределить по тем же схемам. Как объяснил Юй:
«Мотивация исследования - попытаться ответить на третью загадку. Если материалы дюн обрабатываются с помощью жидкостей, которые расположены в полярных областях Титана, они должны быть достаточно прочными, чтобы транспортироваться с полюсов в экваториальные области Титана, где расположено большинство дюн. Тем не менее, толины, которые мы произвели в лаборатории, находятся в очень низких количествах: толщина пленки толина, которую мы произвели, составляет всего около 1 микрона, примерно 1 / 10-1 / 100 от толщины человеческого волоса. Чтобы справиться с этим, мы использовали очень интригующий и точный наноразмерный метод, называемый наноиндентированием, для выполнения измерений. Даже несмотря на то, что полученные отступы и трещины имеют нанометровые масштабы, мы все же можем точно определить механические свойства, такие как модуль Юнга (показатель жесткости), твердость при наноиндентировании (твердость) и вязкость разрушения (показатель хрупкости) тонкой пленки ».
В конце команда определила, что органические молекулы, найденные на Титане, намного мягче и более хрупкими по сравнению с даже самыми мягкими песками на Земле. Проще говоря, производимые ими толины не обладали достаточной силой, чтобы преодолевать огромное расстояние между северными метановыми озерами Титана и экваториальной областью. Исходя из этого, они пришли к выводу, что органические пески на Титане, вероятно, образуются вблизи места их расположения.
«И их формирование не может включать в себя жидкости на Титане, поскольку для этого потребуется огромное расстояние в 2000 км от полюсов Титана до экватора», - добавил Юй. «Мягкие и хрупкие органические частицы будут измельчены в пыль, прежде чем они достигнут экватора. Наше исследование использовало совершенно другой метод и подкрепило некоторые результаты, полученные из наблюдений Кассини ».
В конце концов, это исследование представляет новое направление для исследователей, когда дело доходит до изучения Титана и других тел в Солнечной системе. Как объяснил Ю., в прошлом исследователи были в основном ограничены Кассини данные и моделирование, чтобы ответить на вопросы о песчаных дюнах Титана. Тем не менее, Ю и ее коллеги смогли использовать лабораторные аналоги для решения этих вопросов, несмотря на то, что Кассини миссия сейчас в конце.
Более того, это последнее исследование, несомненно, будет иметь огромную ценность, поскольку ученые продолжают изучать Кассини данные в ожидании будущих миссий на Титане. Эти миссии направлены на более подробное изучение песчаных дюн Титана, метановых озер и богатой органической химии. Как объяснил Юй:
«Наши результаты могут не только помочь понять происхождение дюн и песков Титана, но и предоставить важную информацию для потенциальных будущих миссий по приземлению на Титане, таких как« Стрекоза »(один из двух финалистов (из двенадцати предложений), выбранных для дальнейшее развитие концепции в рамках программы НАСА «Новые рубежи». Материальные свойства органики на Титане могут дать удивительные подсказки, чтобы разгадать некоторые тайны Титана.
«В исследовании, которое мы опубликовали в прошлом году на JGR-планетах (2017, 122, 2610–2622), мы обнаружили, что межчастичные силы между частицами толина намного больше, чем обычный песок на Земле, что означает, что органика на Титане намного больше связное (или более липкое), чем силикатные пески на Земле. Это подразумевает, что нам нужна более высокая скорость ветра для выдувания частиц песка на Титане, что могло бы помочь исследователям моделирования ответить на первую загадку. Это также предполагает, что пески Титана могут быть сформированы простой коагуляцией органических частиц в атмосфере, так как их намного легче склеить. Это может помочь понять вторую тайну песчаных дюн Титана.
Кроме того, это исследование имеет значение для изучения тел, отличных от Титана. «Мы нашли органику на многих других телах Солнечной системы, особенно на ледяных телах во внешней солнечной системе, таких как Плутон, спутник Нептуна Тритон и комета 67P», - сказал Юй. «И некоторые из органических веществ производятся фотохимически по аналогии с Титаном. И мы обнаружили ветреные особенности (так называемые эоловые особенности) на этих телах, поэтому наши результаты могут быть применены и к этим планетным телам ».
В ближайшее десятилетие ожидается, что несколько миссий будут исследовать спутники внешней Солнечной системы и раскрыть информацию об их богатой окружающей среде, которая может помочь пролить свет на происхождение жизни здесь, на Земле. В дополнение Космический телескоп Джеймса Вебба (в настоящее время ожидается, что он будет развернут в 2021 году) также будет использовать свои передовые инструменты для изучения планет Солнечной системы в надежде решить эти насущные вопросы.
