Kaut arī Cassini Orbiters pabeidza savu misiju 2017. gada 15. septembrī, dati, ko tā apkopoja par Saturnu un tā lielāko Mēnesi Titānu, turpina pārsteigt un pārsteigt. Trīspadsmit gadu laikā, kad tā pavadīja riņķojot ap Saturnu un veica savu pavadoņu lidojumus, zonde apkopoja daudz datu par Titāna atmosfēru, virsmu, metāna ezeriem un bagāto organisko vidi, kuru zinātnieki turpina pārmeklēt.
Piemēram, ir jautājums par noslēpumainajām “smilšu kāpām” uz Titāna, kurām, šķiet, ir organisks raksturs un kuru struktūra un izcelsme saglabājas, joprojām ir noslēpums. Lai risinātu šos noslēpumus, Džona Hopkinsa universitātes (JHU) un pētījumu kompānijas Nanomechanics zinātnieku komanda nesen veica pētījumu par Titāna kāpām un secināja, ka tie, iespējams, veidojas Titāna ekvatoriālajos reģionos.
Viņu pētījums “No kurienes nāk Titāna smiltis: ieskats no Titāna smilšu kandidātu mehāniskajām īpašībām” nesen parādījās tiešsaistē un tika iesniegts Ģeofizisko pētījumu žurnāls: Planētas. Pētījumu vadīja Xinting Yu, JHU Zemes un planētu zinātņu departamenta (EPS) doktorants, un tajā piedalījās EPS asistentu profesori Sāra Horsta (Yu padomniece) Chao He un Patricia McGuiggan, ar atbalstu no Bryan Crawford no Nanomehānika Inc
Lai to sadalītu, Titāna smilšu kāpas sākotnēji pamanīja Cassini’s radaru instrumenti Šangri-La reģionā netālu no ekvatora. Attēli, ko ieguva zonde, parādīja garas, lineāras tumšas svītras, kas izskatījās pēc vēja aizslietām kāpām, kas līdzīgas tām, kas atrodamas uz Zemes. Kopš atklāšanas zinātnieki ir teorējuši, ka tos veido ogļūdeņražu graudi, kas nogulsnējušies uz virsmas no Titāna atmosfēras.
Agrāk zinātnieki ir pieņēmuši, ka tie veidojas ziemeļu reģionos ap Titāna metāna ezeriem un Mēness vēji tos izplata ekvatoriālajā reģionā. Bet no kurienes šie graudi ir radušies un kā tos izplata šajos kāpu veida veidojumos, joprojām ir noslēpums. Tomēr, kā Yu paskaidroja Space Magazine pa e-pastu, tā ir tikai daļa no tā, kas padara šīs kāpas noslēpumainas:
“Pirmkārt, neviens negaidīja, ka pirms Kaseini-Hjūgena misijas varētu redzēt smilšu kāpas uz Titāna, jo globālie cirkulācijas modeļi paredzēja, ka vēja ātrums Titānā ir pārāk vājš, lai izpūstu materiālus, lai veidotu kāpas. Tomēr caur Cassini mēs redzējām plašus lineāru kāpu laukus, kas aptver gandrīz 30% no Titāna ekvatoriālajiem reģioniem!
“Otrkārt, mēs neesam pārliecināti, kā veidojas Titāna smiltis. Kāpu materiāli uz Titāna ir pilnīgi atšķirīgi no materiāliem uz Zemes. Kāpņu materiāli uz Zemes ir galvenokārt silikāta smilšu fragmenti, kas noklāti no silikāta iežiem. Atrodoties Titānā, kāpu materiāli ir sarežģīti organiski savienojumi, ko atmosfēras fotoķīmija veido, nokrītot uz zemes. Pētījumi rāda, ka kāpu daļiņas ir diezgan lielas (vismaz 100 mikroni), savukārt fotoķīmiski izveidotās organiskās daļiņas ir diezgan mazas virsmas tuvumā (tikai ap 1 mikronu). Tāpēc mēs neesam pārliecināti, kā mazās organiskās daļiņas tiek pārveidotas par lielajām smilšu kāpu daļiņām (lai izveidotu vienu atsevišķu smilšu daļiņu, jums ir nepieciešams miljons mazu organisko daļiņu!)
“Treškārt, mēs arī nezinām, kur atmosfērā esošās organiskās daļiņas tiek apstrādātas, lai tās kļūtu lielākas, veidojot kāpu daļiņas. Daži zinātnieki domā, ka šīs daļiņas var apstrādāt visur, lai veidotu kāpu daļiņas, savukārt citi pētnieki uzskata, ka to veidošanās ir jāiesaista Titāna šķidrumos (metānā un etānā), kas pašlaik atrodas tikai polārajos reģionos. ”
Lai to ieskicētu, Ju un viņas kolēģi veica virkni eksperimentu, lai modelētu materiālus, ko pārvadā gan uz zemes, gan uz ledus ķermeņiem. Tas sastāvēja no vairāku dabisko Zemes smilšu, piemēram, silikāta pludmales smilšu, karbonātu smilšu un balto gyspum smilšu, izmantošanas. Lai modelētu materiālus, kas atrodami Titanā, viņi izmantoja laboratorijā ražotus tholīnus, kas ir metāna molekulas, kuras ir pakļautas UV starojumam.
Tholīnu ražošana tika īpaši paredzēta, lai atjaunotu organisko aerosolu veidus un fotoķīmijas apstākļus, kas ir raksturīgi Titan. Tas tika izdarīts, izmantojot eksperimentālo sistēmu Planetary HAZE Research (PHAZER) Džona Hopkinsa universitātē - kuras galvenā izmeklētāja ir Sāra Horsta. Pēdējais solis sastāvēja no nanoidentifikācijas tehnikas izmantošanas (ko uzraudzīja Braiens Kravfords no Nanometrics Inc.), lai izpētītu imitēto smilšu un tholīnu mehāniskās īpašības.
Tas sastāvēja no smilšu modelējošo līdzekļu un tholīnu ievietošanas vēja tunelī, lai noteiktu to kustīgumu un noskaidrotu, vai tos var sadalīt vienādos modeļos. Kā Yu paskaidroja:
“Pētījuma motivācija ir mēģināt atbildēt uz trešo noslēpumu. Ja kāpu materiāli tiek apstrādāti caur šķidrumiem, kas atrodas Titāna polārajos reģionos, tiem jābūt pietiekami stipriem, lai tos varētu transportēt no poliem uz Titāna ekvatoriālajiem reģioniem, kur atrodas lielākā daļa kāpu. Tomēr laboratorijā saražotie tholīni ir ārkārtīgi zemā daudzumā: mūsu saražotās tholin plēves biezums ir tikai ap 1 mikronu, apmēram 1 / 10-1 / 100 no cilvēku matu biezuma. Lai to risinātu, mērījumu veikšanai mēs izmantojām ļoti intriģējošu un precīzu nanoskalu metodi, ko sauc par nanoindentāciju. Kaut arī visi radītie ievilkumi un plaisas ir nanometru skalā, mēs joprojām varam precīzi noteikt plānas plēves mehāniskās īpašības, piemēram, Younga moduli (stingrības indikatoru), nanoindenīcijas cietību (cietību) un izturību pret plaisām (trausluma indikatoru). ”
Rezultātā komanda noteica, ka Titānā atrastās organiskās molekulas ir daudz mīkstākas un trauslākas, salīdzinot ar pat mīkstākajām Zemes smiltīm. Vienkārši izsakoties, viņu ražotajiem tholīniem nebija spēka pārvarēt milzīgo attālumu, kas atrodas starp Titāna ziemeļu metāna ezeriem un ekvatoriālo reģionu. No tā viņi secināja, ka organiskās smiltis uz Titāna, visticamāk, veidojas turpat, kur tās atrodas.
"Un to veidošanā, iespējams, nav nepieciešami šķidrumi uz Titāna, jo tas prasītu milzīgu transporta attālumu, kas pārsniedz 2000 kilometrus no Titāna poliem līdz ekvatoram," piebilda Ju. “Mīkstas un trauslas organiskās daļiņas tiek sasmalcinātas putekļos, pirms tās sasniedz ekvatoru. Mūsu pētījumā tika izmantota pavisam cita metode un tika pastiprināti daži rezultāti, kas secināti no Cassini novērojumiem. ”
Noslēgumā šis pētījums ir jauns virziens pētniekiem, kad runa ir par Titāna un citu Saules sistēmas ķermeņu izpēti. Kā skaidroja Ju, iepriekš pētnieki lielākoties bija ierobežoti Cassini datus un modelēšanu, lai atbildētu uz jautājumiem par Titāna smilšu kāpām. Tomēr Yu un viņas kolēģi spēja izmantot laboratorijā ražotus analogus, lai risinātu šos jautājumus, neskatoties uz to, ka Cassini misija tagad ir beigusies.
Turklāt šim jaunākajam pētījumam noteikti ir milzīga vērtība, jo zinātnieki turpina pārdomāt Cassini’s dati, paredzot turpmākas misijas uz Titānu. Šo misiju mērķis ir sīkāk izpētīt Titāna smilšu kāpas, metāna ezerus un bagātīgo organisko ķīmiju. Kā Yu paskaidroja:
“[O] ur rezultāti var ne tikai palīdzēt izprast Titāna kāpu un smilšu izcelsmi, bet arī sniegs būtisku informāciju potenciālajām izkraušanas misijām uz Titānu, piemēram, Dragonfly (viens no diviem finālistiem (no divpadsmit priekšlikumiem), kas atlasīti turpmāka NASA jaunās robežas koncepcijas izstrāde). Titāna organisko savienojumu materiālās īpašības faktiski var sniegt pārsteidzošus pavedienus, lai atrisinātu dažus noslēpumus uz Titāna.
“Pētījumā, ko pagājušajā gadā publicējām JGR planētās (2017, 122., 2610–2622), mēs noskaidrojām, ka daļiņu spēki starp tholīna daļiņām ir daudz lielāki nekā parastajai Zemes smilšu daļai, kas nozīmē, ka Titāna organisko savienojumu ir daudz vairāk saliedēta (vai lipīgāka) nekā silikāta smiltis uz Zemes. Tas nozīmē, ka mums ir nepieciešams lielāks vēja ātrums, lai izpūstu smilšu daļiņas uz Titāna, kas varētu palīdzēt modelēšanas pētniekiem atbildēt uz pirmo noslēpumu. Tas arī liek domāt, ka Titāna smiltis var veidoties, vienkārši sarecējot atmosfērā esošās organiskās daļiņas, jo tās ir daudz vieglāk salīmēt. Tas varētu palīdzēt izprast Titāna smilšu kāpu otro noslēpumu. ”
Turklāt šis pētījums ietekmē tādu ķermeņu izpēti, kas nav Titāns. "Mēs esam atraduši organiskos savienojumus daudzos citos Saules sistēmas ķermeņos, it īpaši ledus ķermeņos ārējā Saules sistēmā, piemēram, Plutonā, Neptūna mēness Tritonā un komētā 67P," sacīja Ju. “Un daži no organiskajiem elementiem ir fotoķīmiski ražoti līdzīgi kā Titāns. Un mēs arī atradām vēja izpūstas iezīmes (sauktas par eolijas pazīmēm) arī uz šiem ķermeņiem, tāpēc mūsu rezultātus varēja attiecināt arī uz šiem planētu ķermeņiem. ”
Gaidāms, ka nākamajā desmitgadē notiks vairākas misijas, lai izpētītu ārējās Saules sistēmas pavadoņus un atklātu lietas par to bagātīgo vidi, kas varētu palīdzēt atklāt gaismu dzīves uz Zemes izcelsmei. Turklāt Džeimsa Veba kosmiskais teleskops (kuru paredzēts izvietot 2021. gadā) izmantos arī moderno instrumentu komplektu, lai izpētītu Saules sistēmas planētas, cerot pievērsties šiem dedzinošajiem jautājumiem.
