Кредит зображення: ESA
Потрібно щонайменше три елементи для життя, як ми його знаємо: вода, енергія та атмосфера. Серед Марса та супутників навколо Юпітера та Сатурна є дані про один-два з цих трьох елементів, але менше відомо, чи є повний набір. Тільки Місяць Сатурна, Титан, має атмосферу, порівнянну з тиском на Землі, і набагато товщі, ніж марсіанська (1% від тиску на рівні моря на Землі).
Найцікавіший момент симуляції вуглеводневої імли Титану полягає в тому, що цей димучий компонент містить молекули, звані толінами (від грецького слова, каламутні), які можуть скласти основи будівельних блоків життя. Наприклад, амінокислоти, один із будівельних блоків земного життя, утворюються, коли ці червоно-бурі смолоподібні частинки поміщаються у воду. Як зазначав Карл Саган, Титан може розглядатися як широка паралель ранньої земної атмосфери щодо його хімії, і таким чином, безумовно, має відношення до витоків життя.
Цього літа космічний корабель НАСА Кассіні, запущений у 1997 році, планується вийти на орбіту навколо Сатурна та його лун протягом чотирьох років. На початку 2005 року запланований зонд Гюйгенса зануриться у туманну атмосферу Титану і приземлиться на поверхню Місяця. На орбіті космічного корабля "Кассіні" є 12 приладів, а на зонді Гюйгенса - 6 приладів. Зонд Гюйгенса орієнтований насамперед на відбір проб атмосфери. Зонд оснащений для вимірювань і запису зображень протягом півгодини на поверхні. Але у зонда немає ніжок, тому, коли він сідає на поверхню Титана, його орієнтація буде випадковою. І його посадка може бути не місцем, що містить органіку. Зображення, де Кассіні знаходиться на поточній орбіті, постійно оновлюються та доступні для огляду в міру проходження місії.
Журнал астробіології мав можливість поспілкуватися з науковцем-дослідником Жаном-Мішелем Бернардом з Паризького університету про те, як імітувати складну хімію Титана в наземній пробірці. Його імітація довкілля Титану будується на класичному пребіотичному супі, вперше вперше вперше в його розпорядженні дослідниками Чиказького університету, Гарольдом Урі та Стенлі Міллером.
Журнал з астробіології (AM): Що спочатку стимулювало ваш інтерес до атмосферної хімії Титану?
Жан-Мішель Бернар (JB): Як дві прості молекули (азот і метан) створюють дуже складну хімію? Хімія стає біохімією? Нещодавні відкриття життя в екстремальних умовах на Землі (бактерії на Південному полюсі при температурі -40 ° С та археї понад +110 ° С в районі гідротермальних джерел) дозволяють припустити, що життя може бути присутнім в інших світах та інших умови.
Титан має астробіологічний інтерес, оскільки це єдиний супутник у Сонячній системі з щільною атмосферою. Атмосфера Титана складається з азоту та метану. Енергетичні частинки, що надходять із середовища Сонця та Сатурна, дозволяють отримати складну хімію, наприклад утворення вуглеводнів та нітрилів. Частинки також генерують постійну імлу навколо супутника, дощі метану, вітри, сезони Останнім часом на поверхні Титану, здається, виявлено озера вуглеводнів. Я думаю, що це відкриття, якщо воно буде підтверджене місією Кассіні-Гюйгенс, буде викликати великий інтерес.
Це зробило б Титан аналогом Землі, оскільки в ньому були атмосфера (газ), озера (рідина), імла та ґрунт (тверда речовина), три необхідних середовища для появи життя.
Склад імли Титана невідомий. Наявні лише оптичні дані, і їх важко проаналізувати через складність цього вуглецевого матеріалу. Було проведено багато експериментів для того, щоб імітувати хімію атмосфери Титана, зокрема, аналоги аерозолів, названі групою Карла Сагана «толіни». Здається, що Толін може бути причетний до походження життя. Дійсно, гідроліз цих аналогів аерозолю «Титан» призводить до утворення амінокислот, попередників життя.
AM: Чи можете ви описати своє експериментальне моделювання для розширення експериментів Міллера-Юрея таким чином, що він налаштований на низькі температури та унікальну хімію Титана?
JB: Починаючи з експериментів Міллера-Юрея, було проведено багато експериментальних моделювань передбачуваної пребіотичної системи. Але після отримання даних Voyager з’явилося необхідним повернутися до цього підходу, щоб імітувати атмосферу Титана. Потім кілька вчених провели подібні імітаційні експерименти, ввівши суміш азоту-метану в таку систему, як апарат Міллера. Але проблема стала очевидною через різницю між умовами експерименту та умовами Титана. Тиск і температура не відповідали оточенню Титану. Тоді ми вирішили провести експерименти, які відтворюють тиск і температуру стратосфери Титану: газову суміш 2% метану в азоті, низький тиск (близько 1 мбар) і кріогенну систему, щоб мати низьку температуру. Крім того, наша система розміщена в рукавичці, що містить чистий азот, щоб уникнути забруднення навколишнім повітрям твердих продуктів.
AM: Що ви вважаєте найкращим джерелом енергії для запуску синтетичної хімії Титану: магнітосфера сатурнієвих частинок, сонячне випромінювання чи щось інше?
JB: Вчені дискутують про те, яке джерело енергії найкраще імітує джерела енергії в атмосфері Титана. Ультрафіолетове (УФ) випромінювання? Космічні промені? Електрони та інші енергетичні частинки, що надходять із магнітосфери Сатурна? Усі ці джерела задіяні, але їх виникнення залежить від висоти: екстремальне ультрафіолетове випромінювання та електрони в іоносфері, ультрафіолетове світло у стратосфері, а космічні промені трапляються у тропосфері.
Я думаю, що відповідне питання повинно бути таким: яка експериментальна мета? Якщо зрозуміти хімію ціаністого водню (HCN) у стратосфері Титану, моделювання на УФ-випромінюванні HCN є доцільним. Якщо метою є визначення впливу електричних полів, що утворюються галактичними космічними променями в тропосфері, кращим є коронний розряд імітованої атмосфери Титану.
Вивчаючи умови стратосфери Титана, ми вибрали використовувати електричний розряд у своєму моделюванні. Цей вибір оскаржує меншість вчених, оскільки головним джерелом енергії у стратосфері Титана є УФ-випромінювання. Але наші результати підтвердили наш експеримент. Ми виявили всі органічні види, що спостерігаються на Титані. Ми передбачили наявність CH3CN (ацетонітрилу) до його спостереження. Ми вперше виявили діціаноацетилен, C4N2, нестійку молекулу при кімнатній температурі, яка також була виявлена в атмосфері Титана. Середній інфрачервоний підпис твердих продуктів, створених в нашому експерименті, відповідав спостереженням Титана.
AM: Як ваші результати є частиною запланованих випробувань атмосфери для зонда Кассіні-Гюйгенса?
JB: Після співпраці з командою з Observatoire Astronomique de Bordeaux у Франції ми визначили діелектричні константи аналогів аерозолю. Це дозволить нам оцінити, як атмосферні та поверхневі властивості Титану можуть впливати на ефективність радіолокаційних експериментів Кассіні-Гюйгенса. На висотомір на борту зонда Гюйгенса можуть впливати аерозольні властивості, але для підтвердження цього результату необхідно провести додаткові експерименти.
Два роки тому ми ввели газову суміш N2 / CH4 / CO (98 / 1,99 / 0,01). Метою було визначити вплив оксиду вуглецю, найпоширенішого оксигенованого з'єднання на Титан. Дивно, але ми виявили оксиран в газоподібній фазі як основний оксигенований продукт. Ця нестабільна молекула була виявлена в міжзоряному середовищі, але теоретичні моделі не передбачають її для хімії Титана. Але, можливо, ця молекула присутня на Титані.
В даний час ми аналізуємо перші молекули, радикали, атоми та іони (або "види"), створені всередині нашого експериментального реактора. Ми використовуємо інфрачервону спектрометрію та ультрафіолетову емісію для дослідження збуджених видів, таких як CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. Далі ми спостерігатимемо співвідношення між величиною цих видів та структурами твердих продуктів. Поєднуючи ці експериментальні результати з теоретичною моделлю, розробленою у співпраці з Університетом Порту в Португалії, ми матимемо краще розуміння хімії, що надходить в експериментальний реактор. Це дозволить нам проаналізувати дані Кассіні-Гюйгенса та утворення імби Титана.
Наша команда також бере участь у науковому рівні місії, оскільки один із науковців місії також є в нашій групі в Лабораторії Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques, LISA). Наші лабораторні толіни будуть використовуватися в якості посібників для калібрування декількох інструментів на зонді Гюйгенса та орбіталі Кассіні.
На борту зонда та орбіти є 18 приладів. Калібрувальні випробування потрібні для газової хроматографії та мас-спектроскопії [GC-MS]. GC-MS визначатиме та вимірює хімічні речовини в атмосфері Титана.
Калібрувальні випробування необхідні також для колектора аерозолю та піролізера (АСР). Цей експеримент дозволить витягти частинки аерозолю з атмосфери через фільтри, потім нагріти захоплені зразки в печах для випаровування летючих речовин і розкладання складних органічних матеріалів.
Складений інфрачервоний спектрометр (CIRS), тепловий вимірювальний прилад на орбіталі, також повинен бути відкалібрований. Порівняно з попередніми космічними вильотами, спектрометр на борту Кассіні-Гюйгенса - це суттєве вдосконалення, спектральна роздільна здатність в десять разів перевищує спектрометр космічного корабля "Вояджер".
AM: Чи є у вас плани на це дослідження на майбутнє?
JB: Наступний наш крок - експеримент, розроблений Марі-Клер Газо, під назвою «НАСТРОЙКА». Експеримент має дві частини: холодну плазму для дисоціації азоту та фотохімічний реактор для фотодисоціації метану. Це дасть нам кращу глобальну симуляцію стану Титана.
Оригінальне джерело: Журнал астробіології НАСА
