Selvom Cassini orbiter afsluttede sin mission den 15. september 2017, de data, den indsamlede om Saturn, og dens største måne, Titan, fortsætter med at forbløffe og forbløffe. I løbet af de tretten år, hvor den tilbragte kredsløb om Saturn og udførte fluebys af dens måner, indsamlede sonden et væld af data om Titans atmosfære, overflade, metan-søer og et rigtigt organisk miljø, som forskere fortsætter med at pore over.
For eksempel er der spørgsmålet om de mystiske “sandklitter” på Titan, der ser ud til at være organiske i naturen, og hvis struktur og oprindelse er tilbage, har været et mysterium. For at tackle disse mysterier gennemførte et team af forskere fra John Hopkins University (JHU) og forskningsfirmaet Nanomechanics for nylig en undersøgelse af Titans klitter og konkluderede, at de sandsynligvis dannede sig i Titans ækvatorregioner.
Deres undersøgelse, "Hvor kommer Titan Sand fra: Insight from Mechanical Properties of Titan Sand Candidates", dukkede for nylig online og er blevet forelagt Journal of Geophysical Research: Planeter. Undersøgelsen blev ledet af Xinting Yu, en studerende ved Institut for Jord- og Planetenskab (EPS) ved JHU, og inkluderede EPS-lektorer Sarah Horst (Yus rådgiver) Chao He, og Patricia McGuiggan, med støtte fra Bryan Crawford fra Nanomechanics Inc.
For at nedbryde det blev Titans sandklitter oprindeligt plettet af Cassini s radarinstrumenter i Shangri-La-regionen nær ækvator. Billederne, som sonden opnåede, viste lange, lineære, mørke striber, der lignede vind-fejet klitter svarende til dem, der findes på Jorden. Siden deres opdagelse har forskere teoretiseret, at de består af kerner af kulbrinter, der har bundet sig på overfladen fra Titans atmosfære.
Tidligere har videnskabsmænd antaget, at de dannes i de nordlige regioner omkring Titans methansøer og distribueres til ækvatorregionen af månens vinde. Men hvor disse kerner faktisk kom fra, og hvordan de kom til at blive distribueret i disse klitlignende formationer, har været et mysterium. Som Yu forklarede til Space Magazine via e-mail, er det imidlertid kun en del af, hvad der gør disse klitter mystiske:
”For det første forventede ingen at se nogen sandklitter på Titan før Cassini-Huygens-missionen, fordi globale cirkulationsmodeller forudsagde, at vindhastighederne på Titan er for svage til at sprænge materialerne til at danne klitter. Imidlertid så vi gennem Cassini store, lineære klitfelter, der dækker næsten 30% af de ækvatorregioner i Titan!
”For det andet er vi ikke sikre på, hvordan Titansand er dannet. Klodermaterialer på Titan er helt forskellige fra dem på Jorden. På jorden er klittmaterialer hovedsageligt silikatsandfragmenter, der er forvitret fra silikatklipper. Mens du er på Titan, er klittmaterialer komplekse organiske stoffer dannet af fotokemi i atmosfæren, der falder til jorden. Undersøgelser viser, at klittpartiklerne er temmelig store (mindst 100 mikron), mens den fotokemiske dannede organiske partikler stadig er temmelig små nær overfladen (kun ca. 1 mikron). Så vi er ikke sikre på, hvordan de små organiske partikler omdannes til de store sandklitpartikler (du har brug for en million små organiske partikler for at danne en enkelt sandpartikel!)
”For det tredje ved vi heller ikke, hvor de organiske partikler i atmosfæren behandles for at blive større til at danne klittpartiklerne. Nogle forskere mener, at disse partikler kan behandles overalt til dannelse af klittpartiklerne, mens nogle andre forskere mener, at deres dannelse er nødt til at være involveret i Titans væsker (metan og etan), som i øjeblikket kun er lokaliseret i de polære regioner. ”
For at belyse dette udførte Yu og hendes kolleger en række eksperimenter for at simulere materialer, der transporteres på både jordbaserede og iskolde kroppe. Dette bestod af at bruge flere naturlige Jordssand, såsom silikatstrandsand, karbonatsand og hvidt gyspumsand. For at simulere de slags materialer, der findes på Titan, brugte de laboratorieproducerede tholiner, som er molekyler af metan, der er blevet udsat for UV-stråling.
Produktionen af tholiner blev specifikt udført for at genskabe de slags organiske aerosoler og fotokemiske forhold, der er almindelige på Titan. Dette blev gjort ved hjælp af det planetariske HAZE Research (PHAZER) eksperimentelt system ved Johns Hopkins University - som den vigtigste efterforsker er Sarah Horst for. Det sidste trin bestod af at anvende en nanoidentifikationsteknik (overvåget af Bryan Crawford fra Nanometrics Inc.) til at undersøge de mekaniske egenskaber for det simulerede sand og tholiner.
Dette bestod af at placere sandsimulanter og tholins i en vindtunnel for at bestemme deres mobilitet og se, om de kunne distribueres i de samme mønstre. Som Yu forklarede:
”Motivationen bag undersøgelsen er at prøve at besvare det tredje mysterium. Hvis klittmaterialerne forarbejdes gennem væsker, der er placeret i de polære regioner i Titan, skal de være stærke nok til at blive transporteret fra polerne til de ækvatoriale regioner i Titan, hvor de fleste klitter er placeret. Tholinerne, vi producerede i laboratoriet, er imidlertid i ekstremt lave mængder: tykkelsen af den tholinfilm, vi producerede, er kun ca. 1 mikron, ca. 1 / 10-1 / 100 af tykkelsen af menneskehår. For at tackle dette brugte vi en meget spændende og præcis nanoskala-teknik kaldet nanoindentation til at udføre målingerne. Selvom de producerede indrykk og revner alle er i nanometer skalaer, kan vi stadig præcist bestemme mekaniske egenskaber som Youngs modul (indikator for stivhed), nanoindentationshårdhed (hårdhed) og brudsejhed (indikator for skørhed) af den tynde film. ”
I sidste ende bestemte holdet, at de organiske molekyler, der findes på Titan, er meget blødere og mere sprøde sammenlignet med selv de blødeste sand på Jorden. Kort sagt, syntes tholinerne, de producerede, ikke at have styrke til at rejse den enorme afstand, der ligger mellem Titans nordlige metansøer og ækvatorregionen. Fra dette konkluderede de, at det organiske sand på Titan sandsynligvis dannes i nærheden af, hvor de befinder sig.
”Og deres dannelse involverer muligvis ikke væsker på Titan, da det ville kræve en enorm transportafstand på over 2000 kilometer fra Titans poler til ækvator,” tilføjede Yu. ”De bløde og sprøde organiske partikler ville slibes til støv, inden de når ækvator. Vores undersøgelse anvendte en helt anden metode og forstærkede nogle af de resultater, der blev udledt fra Cassini-observationer. ”
I sidste ende repræsenterer denne undersøgelse en ny retning for forskere, når det kommer til studiet af Titan og andre organer i solsystemet. Som Yu forklarede, var forskere for det meste begrænset med tidligere Cassini data og modellering for at besvare spørgsmål om Titans sandklitter. Yu og hendes kolleger var imidlertid i stand til at bruge laboratorieproducerede analoger til at imødegå disse spørgsmål til trods for, at Cassini mission er nu ved slutning.
Desuden er denne seneste undersøgelse helt sikkert af enorm værdi, når forskere fortsætter med at pore over Cassini s data i påvente af fremtidige missioner til Titan. Disse missioner sigter mod at studere Titans sandklitter, metansøer og rig organisk kemi mere detaljeret. Som Yu forklarede:
”[O] ur-resultater kan ikke kun hjælpe med at forstå oprindelsen af Titans klitter og sand, men også det vil give afgørende information for potentielle fremtidige landingsmissioner på Titan, såsom Dragonfly (en af to finalister (ud af tolv forslag) valgt til videre konceptudvikling af NASAs New Frontiers-program). De organiske materialers egenskaber på Titan kan faktisk give fantastiske ledetråde til at løse nogle af mysterierne på Titan.
”I en undersøgelse, vi offentliggjorde sidste år i JGR-planeter (2017, 122, 2610–2622), fandt vi ud af, at interpartikelkræfterne mellem tholinpartikler er meget større end almindeligt sand på Jorden, hvilket betyder, at de organiske stoffer på Titan er meget mere sammenhængende (eller klæbrigere) end silikatsand på Jorden. Dette indebærer, at vi har brug for en større vindhastighed for at sprænge sandpartiklerne på Titan, hvilket kan hjælpe modelleringsforskerne med at besvare det første mysterium. Det antyder også, at Titansand kunne dannes ved simpel koagulering af organiske partikler i atmosfæren, da de er meget lettere at klæbe sammen. Dette kan hjælpe med at forstå det andet mysterium med Titans sandklitter. ”
Derudover har denne undersøgelse konsekvenser for undersøgelsen af andre organer end Titan. "Vi har fundet organiske stoffer på mange andre solsystemsystemlegemer, især iskolde kroppe i det ydre solsystem, som Pluto, Neptuns måne Triton og kometen 67P," sagde Yu. ”Og nogle af de organiske produkter fremstilles fotokemisk på lignende måde som Titan. Og vi fandt også vindblæst funktioner (kaldet aeoliske træk) på disse kroppe også, så vores resultater kunne også anvendes på disse planetariske kroppe. ”
I det kommende årti forventes flere missioner at udforske månerne i det ydre solsystem og afsløre ting om deres rige miljøer, der kan hjælpe med at kaste lys over livets oprindelse her på Jorden. Derudover James Webb-rumteleskop (nu forventes udsat i 2021) vil også bruge sin avancerede dragt af instrumenter til at studere planeterne i solsystemet i håb om at tackle disse brændende spørgsmål.
