Attēla kredīts: ESA
Dzīves uzturēšanai nepieciešami vismaz trīs elementi, kā mēs to zinām: ūdens, enerģija un atmosfēra. Starp Marsu un pavadoņiem ap Jupiteru un Saturnu ir pierādījumi par vienu vai diviem no šiem trim elementiem, bet mazāk ir zināms, ja ir pieejams pilns komplekts. Tikai Saturna mēness Titāna atmosfēra ir salīdzināma ar Zemes spiedienu, un tā ir daudz biezāka nekā Marsa (1% no Zemes spiediena jūras līmenī).
Visinteresantākais Titāna ogļūdeņraža miglainas simulācijas fakts ir tas, ka šī smogēnā sastāvdaļa satur molekulas, ko sauc par tolīniem (no grieķu vārda - dubļains), kas var veidot dzīves celtniecības bloku pamatus. Piemēram, aminoskābes, kas ir viens no sauszemes dzīvības elementiem, veidojas, kad šīs sarkanbrūnajam smogam līdzīgās daļiņas ievieto ūdenī. Kā uzsvēra Karls Sagans, Titānu var uzskatīt par plašu paralēli agrīnajai zemes atmosfērai attiecībā uz tā ķīmiju, un tādā veidā tas noteikti ir saistīts ar dzīves pirmsākumiem.
Šovasar ir paredzēts, ka NASA kosmosa kuģis Cassini, kas tika palaists 1997. gadā, četrus gadus spēs orbītā ap Saturnu un tā pavadoņiem. Paredzēts, ka 2005. gada sākumā pigmentējošā Huygens zonde varētu ienirt miglainā Titāna atmosfērā un nolaisties uz Mēness virsmas. Kosmosa kuģa Cassini orbītā ir 12 instrumenti, bet uz Huygens zondes - 6 instrumenti. Huygens zonde galvenokārt ir paredzēta atmosfēras paraugu ņemšanai. Zonde ir aprīkota mērījumu veikšanai un attēlu ierakstīšanai uz virsmas līdz pusstundai. Bet zondei nav kāju, tāpēc, kad tā nolaižas uz Titāna virsmas, tās orientācija būs nejauša. Un tā izkraušana var notikt nevis ar vietni, kurā ir organika. Attēli par to, kur Cassini atrodas pašreizējā orbītā, tiek nepārtraukti atjaunināti un ir pieejami apskatei misijas gaitā.
Žurnālam Astrobiology bija iespēja sarunāties ar zinātnieku Žanu Mišelu Bernardu no Parīzes universitātes par to, kā simulēt Titāna sarežģīto ķīmiju zemes testa mēģenē. Viņa Titāna vides simulācijas balstās uz klasisko prebiotisko zupu, kuru pirms piecdesmit gadiem pirmo reizi sāka Čikāgas universitātes pētnieki Harolds Ūrejs un Stenlijs Millers.
Žurnāls Astrobiology (AM): Kas vispirms stimulēja jūsu interesi par Titāna atmosfēras ķīmiju?
Žans Mišels Bernards (JB): Kā divas vienkāršas molekulas (slāpeklis un metāns) rada ļoti sarežģītu ķīmiju? Vai ķīmija kļūst par bioķīmiju? Nesenie atklājumi par dzīvību ekstremālos apstākļos uz Zemes (baktērijas dienvidu polā pie -40 ° C un archaea vairāk nekā +110 ° C tuvumā hidrotermisko avotu tuvumā) ļauj pieņemt, ka dzīvība varētu būt citās pasaulēs un citur nosacījumus.
Titānam ir interese par astrobioloģiju, jo tas ir vienīgais satelīts Saules sistēmā ar blīvu atmosfēru. Titāna atmosfēru veido slāpeklis un metāns. Enerģētiskās daļiņas, kas nāk no Saules un Saturna vides, pieļauj sarežģītas ķīmiskas vielas, piemēram, ogļūdeņražu un nitrilu veidošanos. Daļiņas rada arī pastāvīgu miglu ap satelītu, metāna lietus, vēju, gadalaiku laikus Nesen Titāna virspusē, šķiet, ir atklāti ogļūdeņražu ezeri. Es domāju, ka šis atklājums, ja to apstiprinās Cassini-Huygens misija, izraisīs lielu interesi.
Tas padarītu Titānu par analogu Zemei, jo tajā būtu atmosfēra (gāze), ezeri (šķidrums), dūmaka un augsne (cieta) - trīs dzīvībai vajadzīgās vides.
Titāna miglas sastāvs nav zināms. Ir pieejami tikai optiski dati, un tos ir grūti analizēt šī oglekļa satura sarežģītības dēļ. Ir veikti daudzi eksperimenti, lai atdarinātu Titāna atmosfēras ķīmiju, īpaši aerosolu analogi, kurus Karls Sagans dēvē par “tholins”. Šķiet, ka tholins varētu būt saistīts ar dzīvības izcelsmi. Patiešām, šo Titan aerosola analogu hidrolīze izraisa aminoskābju, dzīves priekšgājēju, veidošanos.
AM: Vai jūs varat aprakstīt savu eksperimentālo simulāciju Millera-Ureija eksperimentu paplašināšanai tādā veidā, kas ir pielāgots Titāna zemai temperatūrai un unikālajai ķīmijai?
JB: Kopš Millera-Ureja eksperimentiem ir veikti daudzi domājamās prebiotiskās sistēmas eksperimentālie simulācijas. Bet pēc Voyager datu izgūšanas izrādījās nepieciešams atgriezties pie šīs pieejas, lai modelētu Titāna atmosfēru. Tad vairāki zinātnieki veica šādus simulācijas eksperimentus, ieviešot slāpekļa un metāna maisījumu tādā sistēmā kā Millera aparāts. Bet problēma kļuva acīmredzama atšķirību dēļ starp eksperimentālajiem un Titāna apstākļiem. Spiediens un temperatūra nebija raksturīgi Titāna videi. Tad mēs nolēmām veikt eksperimentus, kas reproducē Titāna stratosfēras spiedienu un temperatūru: gāzes maisījumu, kas satur 2% metāna slāpeklī, zemu spiedienu (apmēram 1 mbar) un kriogēnu sistēmu, lai būtu zema temperatūra. Turklāt mūsu sistēma ir ievietota cimdu kastē, kas satur tīru slāpekli, lai izvairītos no cieto produktu piesārņojuma ar apkārtējo gaisu.
AM: Kāds, jūsuprāt, ir labākais enerģijas avots Titāna sintētiskās ķīmijas iedarbināšanai: Saturna daļiņu magnetosfēra, saules starojums vai kaut kas cits?
JB: Zinātnieki diskutē par to, kurš enerģijas avots vislabāk modelētu enerģijas avotus Titāna atmosfērā. Ultravioletais (UV) starojums? Kosmiskie stari? Elektroni un citas enerģētiskās daļiņas, kas nāk no Saturna magnetosfēras? Visi šie avoti ir iesaistīti, taču to rašanās ir atkarīga no augstuma: ārkārtējs ultravioletais starojums un elektroni jonosfērā, UV gaisma stratosfērā, bet kosmiskie stari notiek troposfērā.
Es domāju, ka atbilstošajam jautājumam vajadzētu būt: Kāds ir eksperimenta mērķis? Lai saprastu ciānūdeņraža (HCN) ķīmiju Titāna stratosfērā, ir piemērota simulācija ar HCN UV starojumu. Ja mērķis ir noteikt elektrisko lauku ietekmi, ko troposfērā rada galaktiskie kosmiskie stari, tad priekšroka dodama imitētas Titāna atmosfēras koronālai izlādei.
Pētot Titāna stratosfēras apstākļus, mēs izvēlējāmies simulācijā izmantot elektrisko izlādi. Šo izvēli apstrīd neliela daļa zinātnieku, jo galvenais enerģijas avots Titāna stratosfērā ir UV starojums. Bet mūsu rezultāti apstiprināja mūsu eksperimentu. Mēs atklājām visas uz Titāna novērotās organiskās sugas. Pirms tā novērošanas mēs paredzējām CH3CN (acetonitrila) klātbūtni. Pirmoreiz mēs atklājām dicianoacetilēnu, C4N2, nestabilu molekulu istabas temperatūrā, kas ir atklāta arī Titāna atmosfērā. Mūsu eksperimentā izveidoto cieto produktu vidējais infrasarkanais paraksts atbilda Titāna novērojumiem.
AM: Kā jūsu rezultāti ir daļa no plānotajām atmosfēras pārbaudēm Cassini-Huygens zondei?
JB: Pēc sadarbības ar komandu no Observatoire Astronomique de Bordeaux Francijā mēs noteicām aerosola analogu dielektriskās konstantes. Tas ļaus mums novērtēt, kā Titāna atmosfēra un virsmas īpašības varētu ietekmēt Kasini-Hjūgena radara eksperimentu veiktspēju. Aerosola īpašības var ietekmēt altimetru uz Huygens zondes, taču, lai apstiprinātu šo rezultātu, jāveic papildu eksperimenti.
Pirms diviem gadiem mēs ieviesām gāzes maisījumu N2 / CH4 / CO (98 / 1,99 / 0,01). Mērķis bija noteikt oglekļa monoksīda, visbagātākā skābekļa savienojuma, ietekmi uz Titānu. Pārsteidzoši, ka gāzveida fāzē mēs atradām oksirānu kā galveno skābekli saturošo produktu. Šī nestabilā molekula tika atklāta starpzvaigžņu vidē, bet teorētiskie modeļi to neparedz Titāna ķīmijai. Tomēr varbūt šī molekula atrodas uz Titāna.
Pašlaik mēs analizējam pirmās molekulas, radikāļus, atomus un jonus (jeb “sugas”), kas izveidotas mūsu eksperimentālajā reaktorā. Lai izpētītu tādas ierosinātas sugas kā CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2, mēs izmantojam infrasarkano staru spektrometriju un ultravioleto starojumu. Tālāk mēs novērosim korelāciju starp šo sugu pārpilnību un cieto produktu struktūrām. Savienojot šos eksperimentālos rezultātus ar teorētisko modeli, kas izstrādāts sadarbībā ar Porto Universitāti Portugālē, mums būs labāka izpratne par ķīmiju, kas rodas eksperimentālajā reaktorā. Tas ļaus mums analizēt Cassini-Huygens datus un Titāna miglas veidošanos.
Mūsu komanda ir iesaistīta arī misijas zinātnes līmenī, jo viens no misijas zinātniekiem ir arī mūsu grupā Laboratoire Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques, LISA). Mūsu laboratorijas treīni tiks izmantoti kā vadīklas vairāku instrumentu kalibrēšanai uz Huygens zondes un Cassini orbitera.
Zondes un orbitera klāstā ir 18 instrumenti. Gāzu hromatogrāfijai un masas spektroskopijai ir nepieciešami kalibrēšanas testi [GC-MS]. GC-MS identificēs un mērīs ķīmiskās vielas Titāna atmosfērā.
Kalibrēšanas testi ir nepieciešami arī aerosola savācējam un pirolizatoram (ACP). Šis eksperiments no atmosfēras caur filtriem ievilks aerosola daļiņas, pēc tam uzsildītos paraugus karsēs cepeškrāsnī, lai iztvaikotu gaistošās vielas un sadalītos sarežģītajos organiskajos materiālos.
Jākalibrē arī kompozītais infrasarkanais spektrometrs (CIRS), kas ir orbitera termiskais mērinstruments. Salīdzinot ar iepriekšējām dziļā kosmosa misijām, spektrometrs, kas atrodas uz Cassini-Huygens borta, ir būtisks uzlabojums, kura spektra izšķirtspēja ir desmit reizes augstāka nekā Voyager kosmosa kuģa spektrometrs.
AM: Vai jums ir nākotnes plāni šim pētījumam?
JB: Nākamais solis ir Marie-Claire Gazeau izstrādāts eksperiments ar nosaukumu “SETUP”. Eksperimentam ir divas daļas: auksta plazma, lai izdalītu slāpekli, un fotoķīmiskais reaktors, lai fotodisociētu metānu. Tas mums sniegs labāku Titāna stāvokļa globālu simulāciju.
Oriģinālais avots: NASA Astrobiology Magazine
