Billedkredit: ESA
Det tager mindst tre elementer for at huske livet, som vi kender det: vand, energi og en atmosfære. Blandt Mars og månerne omkring både Jupiter og Saturn er der tegn på et eller to af disse tre elementer, men mindre vides, om et komplet sæt er tilgængeligt. Kun Saturns måne, Titan, har en atmosfære, der kan sammenlignes med Jordens tryk, og er meget tykkere end den martiske (1% af Jordens havstandstryk).
Det mest interessante punkt ved simuleringer af Titans kulbrinte-uklarhed er, at denne smoggy komponent indeholder molekyler kaldet tholiner (fra det græske ord, mudret), der kan danne grundlaget for livets byggesten. For eksempel dannes aminosyrer, en af byggestenene i det jordiske liv, når disse rødbrune smog-lignende partikler anbringes i vand. Som Carl Sagan påpegede, kan Titan betragtes som en bred parallel til den tidlige jordiske atmosfære med hensyn til dens kemi, og på denne måde er den bestemt relevant for livets oprindelse.
I sommer planlægges NASAs Cassini-rumfartøj, der blev lanceret i 1997, planlagt til at gå i kredsløb omkring Saturn og dets måner i fire år. I begyndelsen af 2005 planlægges den piggybacking Huygens-sonde at springe ned i den disige Titan-atmosfære og lande på månens overflade. Der er 12 instrumenter ombord på Cassini Spacecraft orbiter, og 6 instrumenter ombord på Huygens Probe. Huygens-sonden er primært rettet mod prøvetagning af atmosfæren. Sonden er udstyret til at tage målinger og registrere billeder i op til en halv time på overfladen. Men sonden har ingen ben, så når den sætter sig på Titans overflade, vil dens orientering være tilfældig. Og dens landing måske ikke ske af et sted, der bærer organisk materiale. Billeder af hvor Cassini befinder sig i sin nuværende bane opdateres kontinuerligt og kan ses, når missionen skrider frem.
Astrobiology Magazine havde lejlighed til at tale med forsker Jean-Michel Bernard fra University of Paris om, hvordan man simulerer Titans komplekse kemi i et terrestrisk reagensglas. Hans simuleringer af Titans miljø bygger på den klassiske prebiotiske suppe, der først blev banebrydt for 50 år siden af University of Chicago forskere, Harold Urey og Stanley Miller.
Astrobiology Magazine (AM): Hvad stimulerede først din interesse for den atmosfæriske kemi af Titan?
Jean-Michel Bernard (JB): Hvordan skaber to enkle molekyler (nitrogen og methan) en meget kompleks kemi? Bliv kemi til biokemi? De nylige opdagelser af liv under ekstreme forhold på Jorden (bakterier i Sydpolen ved -40 ° C og archaea ved mere end +110 ° C i nærheden af hydrotermiske kilder) giver mulighed for at antage, at liv kunne være til stede på andre verdener og andre betingelser.
Titan har astrobiologisk interesse, fordi det er den eneste satellit i solsystemet med en tæt atmosfære. Titans atmosfære er lavet af nitrogen og metan. De energiske partikler, der kommer fra solen og Saturns miljø, muliggør kompleks kemi, såsom dannelse af kulbrinter og nitriler. Partiklerne genererer også en permanent uklarhed omkring satellitten, regn af metan, vind, sæsoner For nylig ser der ud til, at der er fundet søer med kulbrinter på Titans overflade. Jeg tror, at denne opdagelse, hvis den bliver bekræftet af Cassini-Huygens-missionen, vil være af stor interesse.
Det ville gøre Titan til en analog til Jorden, da den ville have en atmosfære (gas), søer (væske), uklarhed og jord (fast), de tre nødvendige miljøer for livets udseende.
Sammensætningen af Titans dis er ukendt. Kun optiske data er tilgængelige, og de er vanskelige at analysere på grund af kompleksiteten af dette kulstofholdige materiale. Mange eksperimenter er blevet udført for at efterligne kemi i Titans atmosfære, især aerosolanalogerne kaldet ”tholiner” af Carl Sagans gruppe. Det ser ud til, at tholiner kunne være involveret i livets oprindelse. Faktisk giver hydrolyse af disse Titan-aerosolanaloger dannelse af aminosyrer, livets forløbere.
ER: Kan du beskrive din eksperimentelle simulering til at udvide Miller-Urey-eksperimenterne på en måde, der er tilpasset Titans lave temperaturer og unikke kemi?
JB: Siden Miller-Urey-eksperimenterne er der blevet udført mange eksperimentelle simuleringer af antaget prebiotisk system. Men efter hentningen af Voyagers data, syntes det nødvendigt at vende tilbage til denne tilgang for at simulere Titans atmosfære. Derefter gennemførte flere forskere sådanne simuleringseksperimenter ved at introducere en nitrogen-metan-blanding i et system som Miller's apparat. Men et problem blev indlysende på grund af forskellen mellem de eksperimentelle betingelser og Titans forhold. Trykket og temperaturen var ikke repræsentativ for Titans miljø. Derefter besluttede vi at udføre eksperimenter, der gengiver trykket og temperaturen i Titans stratosfære: en gasblanding af 2% methan i nitrogen, et lavt tryk (ca. 1 mbar) og et kryogent system for at have en lav temperatur. Desuden er vores system anbragt i en handskekasse, der indeholder rent nitrogen for at undgå forurening med den omgivende luft af de faste produkter.
ER: Hvad betragter du som den bedste energikilde til at udløse Titans syntetiske kemi: magnetosfæren af Saturnian partikler, solstråling eller noget andet?
JB: Forskere debatterer om, hvilken energikilde der bedst kan simulere energikilderne i Titans atmosfære. Ultraviolet (UV) stråling? Kosmiske stråler? Elektroner og andre energiske partikler, der kommer fra Saturns magnetosfære? Alle disse kilder er involverede, men deres forekomst afhænger af højden: ekstrem ultraviolet stråling og elektroner i ionosfæren, UV-lys i stratosfæren, mens kosmiske stråler forekommer i troposfæren.
Jeg synes, det passende spørgsmål burde være: Hvad er det eksperimentelle mål? Hvis det er at forstå hydrogencyanid (HCN) kemi i Titans stratosfære, er en simulering med UV-stråling af HCN passende. Hvis målet er at bestemme virkningerne af elektriske felter genereret af galaktiske kosmiske stråler i troposfæren, foretrækkes en koronaudladning af en simuleret Titan-atmosfære.
Når vi studerer Titans stratosfæriske forhold, valgte vi at bruge en elektrisk udladning i vores simulering. Dette valg bestrides af et mindretal forskere, fordi den vigtigste energikilde i Titans stratosfære er UV-stråling. Men vores resultater validerede vores eksperiment. Vi opdagede alle de organiske arter, der blev observeret på Titan. Vi forudsagde tilstedeværelsen af CH3CN (acetonitril) inden dens observation. Vi opdagede for første gang dicyanoacetylen, C4N2, et ustabilt molekyle ved stuetemperatur, der også er blevet påvist i Titans atmosfære. Den midterste infrarøde signatur af de faste produkter, der blev oprettet i vores eksperiment, var i tråd med Titan-observationer.
ER: Hvordan er dine resultater en del af den planlagte atmosfæriske test for Cassini-Huygens-sonden?
JB: Efter at have samarbejdet med et team fra Observatoire Astronomique de Bordeaux i Frankrig, bestemte vi de dielektriske konstanter i aerosolanaloger. Dette vil give os mulighed for at estimere, hvordan Titans atmosfære og overfladeegenskaber kunne påvirke ydeevnen til Cassini-Huygens radareksperimenter. Højdemåleren ombord på Huygens-sonden kunne påvirkes af aerosolegenskaberne, men komplementære eksperimenter skal udføres for at bekræfte dette resultat.
For to år siden introducerede vi en gasblanding, N2 / CH4 / CO (98 / 1,99 / 0.01). Målet var at bestemme virkningen af kulilte, den mest rigelige oxygenerede forbindelse på Titan. Overraskende opdagede vi oxiran i gasfasen som det største oxygenerede produkt. Dette ustabile molekyle blev opdaget i det interstellare medium, men teoretiske modeller forudsiger ikke det for Titans kemi. Alligevel er dette molekyle måske til stede på Titan.
I øjeblikket analyserer vi de første molekyler, radikaler, atomer og ioner (eller 'arter') oprettet inde i vores eksperimentelle reaktor. Vi bruger infrarød spektrometri og UV-synlig emission til at studere ophidsede arter som CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. Dernæst observerer vi sammenhængen mellem forekomsten af disse arter og strukturen af de faste produkter. Ved at forbinde disse eksperimentelle resultater med en teoretisk model, der er udviklet i samarbejde med Universitetet i Porto i Portugal, vil vi have en bedre forståelse af kemi, der forekommer i den eksperimentelle reaktor. Dette vil give os mulighed for at analysere Cassini-Huygens-data og Titans disdannelse.
Vores team er også involveret på missionsvidenskabeligt niveau, da en af forskerne på missionen også er i vores gruppe på Laboratoire Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques, LISA). Vores laboratorietoliner vil blive brugt som guider til kalibrering af flere af instrumenterne på Huygens-sonden og Cassini-kredsløbet.
Der er 18 instrumenter om bord på sonden og kredsløbet. Kalibreringstests er nødvendige for gaskromatografi og massespektroskopi [GC-MS]. GC-MS vil identificere og måle kemikalier i Titans atmosfære.
Kalibreringstest er også nødvendigt for Aerosol Collector og Pyrolyser (ACP). Dette eksperiment trækker aerosolpartikler ind fra atmosfæren gennem filtre og opvarmer derefter de fangede prøver i ovne for at fordampe flygtige stoffer og nedbrydes de komplekse organiske materialer.
Det sammensatte infrarøde spektrometer (CIRS), et termisk måleinstrument på orbiteren, skal også kalibreres. Sammenlignet med tidligere dybe rumopgaver er spektrometret ombord Cassini-Huygens en betydelig forbedring med en spektral opløsning, der er ti gange højere end Voyager-rumfartøjets spektrometer.
ER: Har du fremtidige planer for denne forskning?
JB: Vores næste trin er et eksperiment udviklet af Marie-Claire Gazeau, kaldet “SETUP”. Eksperimentet har to dele: et koldt plasma for at dissocere nitrogen og en fotokemisk reaktor for at fotodisociere methan. Dette vil give os en bedre global simulering af Titans tilstand.
Original kilde: NASA Astrobiology Magazine
