Även om Cassiniorbiter avslutade sitt uppdrag den 15 september 2017, uppgifterna den samlade in om Saturnus och dess största måne, Titan , fortsätter att häpna och förvåna. Under de tretton år som den tillbringade att kretsa runt Saturnus och flyga förbi sina månar, samlade sonden en mängd data om Titans atmosfär, yta, metansjöar och rika organiska miljö som forskare fortsätter att porera över.
Till exempel är det frågan om de mystiska 'sanddynerna' på Titan, som verkar vara organiska till sin natur och vars struktur och ursprung kvarstår har förblivit ett mysterium. För att ta itu med dessa mysterier, ett team av forskare från John Hopkins University (JHU) och forskningsbolaget Nanomekanik nyligen genomfört en studie av Titans sanddyner och drog slutsatsen att de troligen bildades i Titans ekvatorialområden.
Deras studie, ' Var kommer Titan Sand ifrån: Insikt från Mechanical Properties of Titan Sand Candidates “, nyligen dök upp online och har skickats tillJournal of Geophysical Research: Planeter.Studien leddes av Xinting Yu, en doktorand vid Institutionen för jord- och planetvetenskap (EPS) vid JHU, och inkluderade EPS-assistentprofessorerna Sarah Horst (Yus rådgivare) Chao He och Patricia McGuiggan, med stöd från Bryan Crawford från Nanomechanics Inc.
För att bryta ner det var Titans sanddyner ursprungligen upptäckt avCassinisradarinstrument i Shangri-La-regionen nära ekvatorn. Bilderna som sonden tog visade långa, linjära mörka ränder som såg ut som vindpinade sanddyner liknande de som finns på jorden. Sedan deras upptäckt har forskare teoretiserat att de består av korn av kolväten som har lagt sig på ytan från Titans atmosfär.
Tidigare har forskare gissat att de bildas i de norra regionerna runt Titans metansjöar och distribueras till ekvatorialområdet av månens vindar. Men var dessa korn egentligen kom ifrån, och hur de kom att fördelas i dessa dynliknande formationer, har förblivit ett mysterium. Men som Yu förklarade för Universe Today via e-post, är det bara en del av det som gör dessa sanddyner mystiska:
'För det första förväntade sig ingen att se några sanddyner på Titan före Cassini-Huygens-uppdraget, eftersom globala cirkulationsmodeller förutspådde att vindhastigheterna på Titan är för svaga för att blåsa materialet för att bilda sanddyner. Men genom Cassini såg vi vidsträckta linjära dynfält som täcker nästan 30 % av Titans ekvatorialområden!
'För det andra är vi inte säkra på hur Titansand bildas. Dunematerial på Titan skiljer sig helt från dem på jorden. På jorden är dynmaterial huvudsakligen silikatsandfragment som vittrats från silikatstenar. På Titan är dynmaterial komplexa organiska ämnen som bildas av fotokemi i atmosfären och faller till marken. Studier visar att dynpartiklarna är ganska stora (minst 100 mikron), medan de fotokemin bildade organiska partiklarna fortfarande är ganska små nära ytan (endast runt 1 mikron). Så vi är inte säkra på hur de små organiska partiklarna omvandlas till de stora sanddynspartiklarna (du behöver en miljon små organiska partiklar för att bilda en enda sandpartikel!)
'För det tredje vet vi inte heller var de organiska partiklarna i atmosfären bearbetas för att bli större för att bilda dynpartiklarna. Vissa forskare tror att dessa partiklar kan bearbetas överallt för att bilda dynpartiklarna, medan vissa andra forskare tror att deras bildning måste vara involverad med Titans vätskor (metan och etan), som för närvarande bara finns i polarområdena.'
Sanddyner på Titan ses i Cassinis radar (överst) som liknar namibiska sanddyner på jorden. De funktioner som ser ut att vara moln på den översta bilden är faktiskt topografiska egenskaper. Kredit: NASA
För att belysa detta genomförde Yu och hennes kollegor en serie experiment för att simulera material som transporteras på både terrestra och isiga kroppar. Detta bestod av att använda flera naturliga jordsand, såsom silikatstrandsand, karbonatsand och vit gipssand. För att simulera de typer av material som finns på Titan använde de laboratorietillverkade toliner, som är molekyler av metan som har utsatts för UV-strålning.
Produktionen av toliner utfördes specifikt för att återskapa de typer av organiska aerosoler och fotokemiförhållanden som är vanliga på Titan. Detta gjordes med hjälp av experimentsystemet Planetary HAZE Research (PHAZER) vid Johns Hopkins University – för vilket huvudutredaren 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 den simulerade sanden och tolinerna.
Detta bestod i att placera sandsimulanterna och tolinerna i en vindtunnel för att bestämma deras rörlighet och se om de kunde fördelas i samma mönster. Som Yu förklarade:
”Motivationen bakom studien är att försöka svara på det tredje mysteriet. Om dynmaterialen bearbetas genom vätskor, som är belägna i Titans polära områden, måste de vara tillräckligt starka för att transporteras från polerna till Titans ekvatorialregioner, där de flesta sanddynerna finns. De toliner vi producerade i labbet är dock i extremt låga mängder: tjockleken på tolinfilmen vi producerade är bara runt 1 mikron, ungefär 1/10-1/100 av tjockleken på människohår. För att hantera detta använde vi en mycket spännande och exakt nanoskalateknik som kallas nanoindentation för att utföra mätningarna. Även om de producerade fördjupningarna och sprickorna alla är i nanometerskala, kan vi fortfarande exakt bestämma mekaniska egenskaper som Youngs modul (styvhetsindikator), nanointryckshårdhet (hårdhet) och brottseghet (indikator på sprödhet) hos den tunna filmen.'
Radarbild av sanddyner på Titan. Kredit: NASA/JPL–Caltech/ASI/ESA och USGS/ESA
Till slut fastställde teamet att de organiska molekylerna som finns på Titan är mycket mjukare och mer spröda jämfört med även den mjukaste sanden på jorden. Enkelt uttryckt verkade de toliner de producerade inte ha styrkan att resa det enorma avståndet som ligger mellan Titans norra metansjöar och ekvatorialregionen. Av 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 enormt transportavstånd på över 2000 kilometer från Titans poler till ekvatorn,' tillade Yu. 'De mjuka och spröda organiska partiklarna skulle malas till damm innan de når ekvatorn. Vår studie använde en helt annan metod och förstärkte några av resultaten som härleddes från Cassini-observationer.'
I slutändan representerar denna studie en ny riktning för forskare när det kommer till studiet av Titan och andra kroppar i solsystemet. Som Yu förklarade, tidigare var forskare mestadels begränsade medCassinidata och modellering för att svara på frågor om Titans sanddyner. Yu och hennes kollegor kunde dock använda laboratorietillverkade analoger för att lösa dessa frågor, trots attCassiniuppdraget är nu över.
Dessutom kommer denna senaste studie säkerligen att vara av enormt värde när forskare fortsätter att utforskaCassinisdata i väntan på framtida uppdrag till Titan. Dessa uppdrag syftar till att studera Titans sanddyner, metansjöar och rika organisk kemi mer i detalj. Som Yu förklarade:
'[O]våra resultat kan inte bara hjälpa till att förstå ursprunget till Titans sanddyner och sand, utan det kommer också att ge viktig information för potentiella framtida landningsuppdrag på Titan, som Dragonfly (en av två finalister (av tolv förslag) som valts ut för ytterligare konceptutveckling av NASA:s New Frontiers-program). Materialegenskaperna 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-planets (2017, 122, 2610–2622) fick vi reda på att interpartikelkrafterna mellan tolinpartiklar är mycket större än vanlig sand på jorden, vilket betyder att de organiska ämnen 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 tyder också på att Titansand kan bildas genom enkel koagulering av organiska partiklar i atmosfären, eftersom de är mycket lättare att hålla ihop. Detta kan hjälpa till att förstå det andra mysteriet med Titans sanddyner.'
Konstnärens idé om att trollsländan distribueras till Titan och påbörjar sitt utforskningsuppdrag. Kredit: APL/Michael Carroll
Dessutom har denna studie implikationer för studiet av andra kroppar än Titan. 'Vi har hittat organiska ämnen på många andra solsystemkroppar, särskilt isiga kroppar i det yttre solsystemet, som Pluto, Neptunus måne Triton och kometen 67P,' sa Yu. 'Och en del av de organiska ämnen är fotokemiskt producerade på samma sätt som Titan. Och vi hittade vindblåsta drag (kallade eoliska särdrag) på dessa kroppar också, så våra resultat kunde tillämpas på dessa planetkroppar också.'
Under det kommande decenniet förväntas flera uppdrag att utforska det yttre solsystemets månar och avslöja saker om deras rika miljöer som kan bidra till att kasta ljus över livets ursprung här på jorden. Dessutom har James Webb rymdteleskop (som nu förväntas utplaceras 2021) kommer också att använda sin avancerade svit av instrument för att studera solsystemets planeter i hopp om att ta itu med dessa brännande frågor.
Vidare läsning: arXiv
