Selv om Cassini orbiter avsluttet sitt oppdrag 15. september 2017, dataene den samlet om Saturn og dens største måne, Titan, fortsetter å forbløffe og forbløffe. I løpet av de tretten årene den tilbrakte kretsløp rundt Saturn og gjennomførte fluebys av månene sine, samlet sonden et vell av data om Titans atmosfære, overflate, metansjøer og rike organiske omgivelser som forskere fortsetter å pore over.
For eksempel er det saken om de mystiske "sanddynene" på Titan, som ser ut til å være organiske i naturen og hvis struktur og opprinnelse forblir har forblitt et mysterium. For å løse disse mysteriene gjennomførte et team av forskere fra John Hopkins University (JHU) og forskningsselskapet Nanomechanics nylig en studie av Titans sanddyner og konkluderte med at de sannsynligvis dannet seg i Titans ekvatorialregioner.
Studien deres, "Hvor kommer Titan Sand kommer fra: Insight from Mechanical Properties of Titan Sand Candidates", har nylig dukket opp på nettet og har blitt sendt til Journal of Geophysical Research: Planets. Studien ble ledet av Xinting Yu, en doktorgradsstudent ved Institutt for jord- og planeter (EPS) ved JHU, og inkluderte EPS-assistentprofessorer Sarah Horst (Yus rådgiver) Chao He, og Patricia McGuiggan, med støtte gitt av Bryan Crawford fra Nanomechanics Inc.
For å bryte den ned, ble Titans sanddyner opprinnelig oppdaget av Cassinis radarinstrumenter i Shangri-La-regionen nær ekvator. Bildene sonden oppnådde viste lange, lineære mørke streker som så ut som vind feide sanddyner ligner de som ble funnet på jorden. Siden oppdagelsen deres har forskere teoretisert at de består av hydrokarbonkorn som har satt seg på overflaten fra Titans atmosfære.
Tidligere har forskere antatt at de dannes i de nordlige områdene rundt Titans metansjøer og blir distribuert til ekvatorialregionen av månens vinder. Men hvor disse kornene faktisk kom fra, og hvordan de kom til å bli distribuert i disse klitlignende formasjonene, har forblitt et mysterium. Imidlertid, som Yu forklarte Space Magazine via e-post, det er bare en del av det som gjør disse sanddynene mystiske:
"For det første var det ingen som forventet å se noen sanddyner på Titan før Cassini-Huygens-oppdraget, fordi globale sirkulasjonsmodeller spådde vindhastighetene på Titan er for svake til å sprenge materialene til å danne sanddyner. Gjennom Cassini så vi imidlertid store, lineære sandfelt som dekker nesten 30% av de ekvatoriale regionene i Titan!
For det andre er vi ikke sikre på hvordan Titansand blir dannet. Dune-materialer på Titan er helt forskjellige fra jorda. På jorden er sanddynamaterialer hovedsakelig silikatsandfragmenter forvitret fra silikatbergarter. Mens du er på Titan, er klittmaterialer komplekse organiske stoffer dannet av fotokjemi i atmosfæren, og faller til bakken. Studier viser at sandpartiklene er ganske store (minst 100 mikron), mens fotokjemien som er dannet organiske partikler, fortsatt er ganske liten nær overflaten (bare rundt 1 mikron). Så vi er ikke sikre på hvordan de små organiske partiklene blir transformert til de store sanddynepartiklene (du trenger en million små organiske partikler for å danne en enkelt sandpartikkel!)
For det tredje vet vi heller ikke hvor de organiske partiklene i atmosfæren blir behandlet for å bli større for å danne klittpartiklene. Noen forskere tror disse partiklene kan bearbeides overalt for å danne sanddynepartikler, mens noen andre forskere mener at deres dannelse må involveres i Titans væsker (metan og etan), som for tiden bare befinner seg i de polare områdene. "
For å belyse dette, gjennomførte Yu og hennes kolleger en serie eksperimenter for å simulere materialer som ble transportert på både jordiske og isete kropper. Dette besto av å bruke flere naturlige Jordesand, som silikatstrandsand, karbonatsand og hvit gyspumsand. For å simulere hvilke materialer som ble funnet på Titan, brukte de laboratorieproduserte toliner, som er molekyler av metan som har blitt utsatt for UV-stråling.
Produksjon av toliner ble spesifikt utført for å gjenskape de typer organiske aerosoler og fotokjemiske forhold som er vanlige på Titan. Dette ble gjort ved hjelp av det eksperimentelle systemet Planetarium HAZE Research (PHAZER) ved Johns Hopkins University - som hovedetterforsker er Sarah Horst. Det siste trinnet besto av å bruke en nanoidentifikasjonsteknikk (overvåket av Bryan Crawford fra Nanometrics Inc.) for å studere de mekaniske egenskapene til simulerte sand og tholins.
Dette besto av å plassere sandsimulatorer og toller i en vindtunnel for å bestemme deres bevegelighet og se om de kunne distribueres i de samme mønstrene. Som Yu forklarte:
Motivasjonen bak studien er å prøve å svare på det tredje mysteriet. Hvis sanddynematerialene blir behandlet gjennom væsker, som er lokalisert i de polare områdene i Titan, må de være sterke nok til å fraktes fra polene til ekvatorialregionene i Titan, der de fleste sanddynene befinner seg. Tholinene vi produserte i laboratoriet er imidlertid i ekstremt lave mengder: tykkelsen på tolinfilmen vi produserte er bare rundt 1 mikron, omtrent 1 / 10-1 / 100 av tykkelsen på menneskehår. For å håndtere dette brukte vi en veldig spennende og presis nanoskala-teknikk kalt nanoindentasjon for å utføre målingene. Selv om de produserte innrykkene og sprekkene alle er i nanometerskalaer, kan vi fremdeles presist bestemme mekaniske egenskaper som Youngs modul (indikator på stivhet), nanoindikasjonshardhet (hardhet) og bruddseighet (indikator på sprøhet) av den tynne filmen. "
Til slutt bestemte teamet at de organiske molekylene som ble funnet på Titan er mye mykere og sprøere sammenlignet med selv de mykeste sandene på jorden. Enkelt sagt, ser det ikke ut til at toliner de produserte hadde styrke til å reise den enorme avstanden som ligger mellom Titans nordlige metansjøer og ekvatorialregionen. Av dette konkluderte de med at den organiske sanden på Titan sannsynligvis dannes i nærheten av der de befinner seg.
"Og deres dannelse kan ikke innebære væsker på Titan, siden det vil kreve en stor transportavstand på over 2000 kilometer fra Titans poler til ekvator," la Yu til. “De myke og sprø organiske partiklene ville bli slipt til støv før de når ekvator. Studien vår brukte en helt annen metode og forsterket noen av resultatene som ble gitt ut fra Cassini-observasjoner. ”
Til slutt representerer denne studien en ny retning for forskere når det gjelder studien av Titan og andre organer i solsystemet. Som Yu forklarte, tidligere var forskere stort sett begrenset med Cassini data og modellering for å svare på spørsmål om Titans sanddyner. Imidlertid var Yu og hennes kolleger i stand til å bruke laboratorieproduserte analoger for å adressere disse spørsmålene, til tross for at Cassini oppdraget er nå mot slutten.
Dessuten er denne siste studien sikker på å være av enorm verdi når forskere fortsetter å pore over Cassinis data i påvente av fremtidige oppdrag til Titan. Disse oppdragene har som mål å studere Titans sanddyner, metansjøer og rik organisk kjemi mer detaljert. Som Yu forklarte:
“[O] ur-resultater kan ikke bare bidra til å forstå opprinnelsen til Titans sanddyner og sand, men også gi viktige opplysninger for potensielle fremtidige landingsoppdrag på Titan, for eksempel Dragonfly (en av to finalister (av tolv forslag) valgt for videre konseptutvikling av NASAs New Frontiers-program). De organiske egenskapene til de organiske stoffene på Titan kan faktisk gi fantastiske ledetråder for å løse noen av mysteriene på Titan.
“I en studie vi publiserte i fjor i JGR-planeter (2017, 122, 2610–2622), fant vi ut at interpartikkelkreftene mellom tolinpartikler er mye større enn vanlig sand på jorden, noe som betyr at de organiske stoffene på Titan er mye mer sammenhengende (eller klistrete) enn silikatsand på jorden. Dette innebærer at vi trenger en større vindhastighet for å blåse sandpartiklene på Titan, noe som kan hjelpe modelleringsforskerne til å svare på det første mysteriet. Det antyder også at Titansand kan dannes ved enkel koagulering av organiske partikler i atmosfæren, siden de er mye lettere å feste seg sammen. Dette kan bidra til å forstå det andre mysteriet om Titans sanddyner. "
I tillegg har denne studien implikasjoner for studien av andre organer enn Titan. "Vi har funnet organiske stoffer på mange andre solsystemsystemlegemer, spesielt isete kropper i det ytre solsystemet, som Pluto, Neptuns måne Triton og kometen 67P," sa Yu. “Og noen av de organiske produktene er fotokjemisk produsert på samme måte som Titan. Og vi fant vindblåste funksjoner (kalt eoliske trekk) også på disse kroppene, slik at resultatene våre også kan brukes på disse planetariske kroppene. ”
I det kommende tiåret forventes flere oppdrag å utforske månene i det ytre solsystemet og avsløre ting om deres rike miljøer som kan bidra til å belyse opprinnelsen til livet her på jorden. i tillegg James Webb romteleskop (nå forventet å bli utplassert i 2021) vil også bruke sin avanserte farge av instrumenter til å studere planetene i solsystemet i håp om å ta opp disse brennende spørsmålene.
