Незважаючи на те, що Кассіні Orbiter завершив свою місію 15 вересня 2017 року, дані, які він зібрав про Сатурн та його найбільший Місяць, Титан, продовжують вражати і вражати. Протягом тринадцяти років, коли вона проводила орбіту Сатурна і проводила мухомори своїх лун, зонд зібрав безліч даних про атмосферу Титана, поверхню, метанові озера та багате органічне середовище, яке вчені продовжують обробляти.
Наприклад, є питання про таємничі «піщані дюни» на Титані, які, схоже, є органічними за своєю природою, структура яких і походження залишаються загадкою. Щоб вирішити ці таємниці, команда вчених з університету Джона Хопкінса (JHU) та дослідницької компанії Nanomechanics нещодавно провела дослідження дюн Титану і дійшла висновку, що вони, ймовірно, сформувалися в екваторіальних регіонах Титану.
Їх дослідження, "Звідки береться титанський пісок: інформація про механічні властивості кандидатів в титановий пісок", нещодавно з'явилося в Інтернеті і було представлено до Журнал геофізичних досліджень: Планети. Дослідженням було проведено Ксінтінг Ю, аспірант кафедри наук про Землю та планетарні науки (СЕП) при JHU, і до нього ввійшли доценти ЕПС Сара Хорст (радник Ю) Чао Хе і Патрісія Макґуйгган за підтримки Брайана Кроуфорда з Nanomechanics Inc.
Щоб зруйнувати його, спочатку були помічені піщані дюни Титану Кассіні радіолокаційні прилади в регіоні Шанрі-Ла поблизу екватора. На знімках, отриманих зондом, були довгі лінійні темні смуги, схожі на вітри, зайняті вітром, схожі на ті, що знайдені на Землі. З часу їх відкриття вчені теоретизували, що вони складаються із зерен вуглеводнів, які осіли на поверхні з атмосфери Титана.
У минулому вчені припускали, що вони утворюються в північних районах навколо метанових озер Титану і розподіляються по екваторіальному регіону вітром Місяця. Але звідки ці зерна походили насправді і як вони стали поширюватися в цих дюноподібних формаціях, залишається загадкою. Однак, як пояснив Ю. Космічний журнал електронною поштою, це лише частина того, що робить ці дюни таємничими:
"По-перше, ніхто не очікував побачити піщані дюни на" Титані "перед місією Кассіні-Гюйгенс, оскільки моделі глобальної циркуляції передбачили, що швидкість вітру на" Титані "занадто слабка, щоб підірвати матеріали для формування дюн. Однак через Кассіні ми побачили величезні лінійні дюнні поля, які охоплюють майже 30% екваторіальних областей Титану!
"По-друге, ми не впевнені в тому, як утворюються піски Титану. Дюні-матеріали на Титані повністю відрізняються від матеріалів на Землі. На Землі матеріали дюн - це переважно фрагменти силікатного піску, вивітрювані з силікатних порід. Перебуваючи на Титані, матеріали дюн - це складна органіка, утворена фотохімією в атмосфері, що падає на землю. Дослідження показують, що частинки дюни досить великі (щонайменше 100 мкм), тоді як фотохімічні органічні частинки ще досить маленькі біля поверхні (лише близько 1 мкм). Тож ми не впевнені, як дрібні органічні частинки перетворюються на великі частинки піщаної дюни (для формування однієї частинки піску потрібно мільйон маленьких органічних частинок!)
"По-третє, ми також не знаємо, де органічні частинки в атмосфері переробляються, щоб стати більшими для утворення частинок дюни. Деякі вчені вважають, що ці частинки можуть бути оброблені скрізь, щоб утворити частинки дюни, в той час як деякі інші дослідники вважають, що їх утворення має бути пов'язане з рідинами Титана (метаном та етаном), які в даний час розташовані лише в полярних регіонах ".
Щоб пролити світло на це, Ю та її колеги провели ряд експериментів з імітації матеріалів, що перевозяться як на земному, так і в крижаному тілах. Це полягало у використанні декількох природних пісків Землі, таких як силікатний пляжний пісок, карбонатний пісок та білий пісок гіпсу. Для імітації видів матеріалів, знайдених на Титані, вони використовували лабораторно виготовлені толіни - це молекули метану, які піддавалися УФ-випромінюванню.
Виробництво толінів спеціально велося для відтворення видів органічних аерозолів та умов фотохімії, які є загальними на Титані. Це було зроблено за допомогою експериментальної системи «Планетарне дослідження HAZE» (PHAZER) в університеті Джона Хопкінса - головним слідчим якого є Сара Хорст. Останній крок полягав у використанні методики наноідентифікації (під керівництвом Брайана Кроуфорда з Nanometrics Inc.) для вивчення механічних властивостей імітованих пісків і толінів.
Це полягало в тому, щоб розмістити імітатори піску та толіни у вітряному тунелі, щоб визначити їхню рухливість та побачити, чи можна їх розподілити за тими ж схемами. Як пояснив Ю:
«Мотивація дослідження полягає у спробі відповісти на третю таємницю. Якщо матеріали дюн переробляються через рідини, які знаходяться в полярних районах Титану, вони повинні бути досить міцними, щоб перевезти їх від полюсів до екваторіальних районів Титану, де розміщена більшість дюн. Тим не менш, толіни, які ми виробляли в лабораторії, вкрай низькі: товщина плівки толіну, яку ми виробляли, становить лише близько 1 мкм, приблизно 1 / 10-1 / 100 товщини людського волосся. Для вирішення цього питання ми використовували дуже інтригуючу та точну нанорозмірну методику під назвою наноіндикація для проведення вимірювань. Незважаючи на те, що отримані відступи і тріщини містяться в нанометрових масштабах, ми все одно можемо точно визначити механічні властивості, такі як модуль Юнга (показник жорсткості), твердість наноіндексації (твердість) та в'язкість руйнування (показник крихкості) тонкої плівки. "
Зрештою, команда визначила, що органічні молекули, знайдені на Титані, значно м'якші та крихкіші порівняно з навіть самими м’якими пісками на Землі. Простіше кажучи, схоже, що вони виробляли толіни не мали сили пройти величезну відстань, що лежить між північними метановими озерами Титану та екваторіальним регіоном. З цього вони зробили висновок, що органічні піски на Титані, ймовірно, утворюються поблизу місця, де вони знаходяться.
"І їх утворення не може залучати рідини на Титані, оскільки для цього знадобиться величезна відстань перевезення понад 2000 кілометрів від полюсів Титану до екватора", - додав Ю. «М'які і крихкі органічні частинки будуть подрібнені до пилу, перш ніж вони дістануться до екватора. Наше дослідження використовувало зовсім інший метод і підкріплювало деякі результати, отримані в результаті спостережень Кассіні ».
Зрештою, це дослідження представляє новий напрямок для дослідників, коли йдеться про вивчення Титану та інших тіл Сонячної системи. Як пояснив Ю, в минулому дослідники здебільшого обмежувалися Кассіні дані та моделювання для відповіді на запитання про піщані дюни Титану. Однак Ю. та її колеги змогли використовувати аналоги, виготовлені в лабораторії, для вирішення цих питань, незважаючи на те, що Кассіні місія зараз закінчується.
Більше того, це останнє дослідження, безумовно, має величезну цінність, оскільки вчені продовжують розбиратися Кассіні дані в очікуванні майбутніх місій на Титан. Ці місії мають на меті детальніше вивчити піщані дюни Титану, метанові озера та багату органічну хімію. Як пояснив Ю:
«О [у] результати ур можуть не тільки допомогти зрозуміти походження дюн і пісків Титану, але й нададуть важливу інформацію для майбутніх майбутніх місій посадки на Титані, таких як Dragonfly (один із двох фіналістів (із дванадцяти пропозицій), обраний для подальший розвиток концепції за допомогою програми NASA New Frontiers). Матеріальні властивості органіки на Титані можуть насправді дати дивовижні підказки для вирішення деяких таємниць на Титані.
«У дослідженні, яке ми опублікували минулого року на планетах JGR (2017, 122, 2610–2622), ми з’ясували, що сили міжчастинок між частинками толіна набагато більше, ніж звичайний пісок на Землі, а це означає, що органіки на Титані набагато більше згуртованіші (або більш жорсткі), ніж силікатні піски на Землі. Це означає, що нам потрібна більша швидкість вітру, щоб підірвати частинки піску на Титані, що може допомогти дослідникам-моделюючим відповісти на першу таємницю. Це також дозволяє припустити, що піски Титану можуть утворюватися шляхом простого згортання органічних частинок в атмосфері, оскільки вони набагато легше злипатися. Це може допомогти зрозуміти другу таємницю піщаних дюн Титану ».
Крім того, це дослідження має наслідки для вивчення інших тіл, ніж Титан. "Ми знайшли органіку на багатьох інших системах Сонячної системи, особливо крижаних тілах у зовнішній Сонячній системі, таких як Плутон, Місяць Нептуна, Тритон і комета 67P", - сказав Ю. "А деякі органічні речовини виробляються фотохімічно аналогічно Титану. І ми також виявили на цих тілах риси, що віяли (так звані еолові риси), і наші результати можна було б застосувати і до цих планетарних тіл ".
У найближчому десятилітті очікується, що кілька місій вивчать супутники зовнішньої Сонячної системи та розкриють речі про їх багате середовище, які можуть допомогти пролити світло на джерела життя тут, на Землі. Крім того, Космічний телескоп Джеймса Вебба (тепер, як очікується, буде розгорнуто в 2021 р.), також використовуватиме вдосконалений інструментарій для вивчення планет Сонячної системи в надії вирішити ці гострі питання.
