Кредит за изображение: ESA
Необходими са най-малко три елемента, за да се живее животът, както го познаваме: вода, енергия и атмосфера. Сред Марс и луните около Юпитер и Сатурн има данни за един или два от тези три елемента, но по-малко се знае дали е наличен пълен набор. Само луната на Сатурн, Титан, има атмосфера, сравнима с налягането на Земята и е много по-дебела от марсианската (1% от налягането на земното ниво на Земята).
Най-интересният момент за симулациите на въглеводородната мараня на Титан е, че този смокист компонент съдържа молекули, наречени толини (от гръцката дума, кални), които могат да формират основите на градивните елементи на живота. Например, аминокиселините, един от градивните елементи на земния живот, се образуват, когато тези червено-кафяви смог-подобни частици се поставят във вода. Както Карл Саган посочи, Титан може да се разглежда като широк паралел на ранната земна атмосфера по отношение на неговата химия и по този начин той със сигурност има отношение към произхода на живота.
Това лято космическият апарат на НАСА „Касини“, пуснат на пазара през 1997 г., трябва да излезе в орбита около Сатурн и неговите луни за четири години. В началото на 2005 г. сондата на Хюгенс сондата се предвижда да се потопи в мъглявата атмосфера на Титан и да кацне на лунната повърхност. На орбитата на космическия кораб Cassini има 12 инструмента и 6 инструмента на сондата Huygens. Сондата Huygens е насочена основно към вземане на проби от атмосферата. Сондата е оборудвана за извършване на измервания и запис на изображения до половин час на повърхността. Но сондата няма крака, така че когато слиза на повърхността на Титан, ориентацията й ще бъде произволна. И кацането му може да не е от сайт, носещ органични елементи. Снимките на мястото, където Касини е в текущата си орбита, се актуализират непрекъснато и са достъпни за разглеждане с напредването на мисията.
Списание Astrobiology имаше възможност да разговаря с учен изследовател Жан-Мишел Бернар от Парижкия университет за това как да симулира сложната химия на Titan в наземна епруветка. Неговите симулации на околната среда на Титан се основават на класическата пребиотична супа, създадена за първи път преди петдесет години от изследователите от Чикагския университет, Харолд Урей и Стенли Милър.
Списание за астробиология (AM): Какво първо стимулира интереса ви към атмосферната химия на Титан?
Жан-Мишел Бернар (JB): Как две прости молекули (азот и метан) създават много сложна химия? Химията става ли биохимия? Неотдавнашните открития за живот в екстремни условия на Земята (бактерии в Южния полюс при -40 ° C и археи при повече от +110 ° C в близост до хидротермални източници) позволяват да се предположи, че животът може да присъства на други светове и други условия.
Титан има астробиологичен интерес, защото е единственият спътник в Слънчевата система с плътна атмосфера. Атмосферата на Титан е изградена от азот и метан. Енергийните частици, идващи от Слънцето и Сатурн, позволяват сложна химия, като образуване на въглеводороди и нитрили. Частиците също генерират постоянна мъгла около спътника, дъждове от метан, ветрове, сезони Напоследък на повърхността на Титан изглежда са открити езера от въглеводороди. Мисля, че това откритие, ако бъде потвърдено от мисията Касини-Хюйгенс, ще предизвика голям интерес.
Това би направило Титан аналог на Земята, тъй като ще има атмосфера (газ), езера (течност), мъгла и почва (твърди), трите необходими среди за появата на живота.
Съставът на мъглата на Титан е неизвестен. Налични са само оптични данни и те са трудни за анализ поради сложността на този въглероден материал. Бяха проведени много експерименти, за да се имитира химията на атмосферата на Титан, най-вече аерозолните аналози, наречени „толини“ от групата на Карл Сагън. Изглежда, че толините биха могли да участват в произхода на живота. Всъщност, хидролизата на тези аналози на аерозолни титани води до образуването на аминокиселини, предшественици на живота.
AM: Можете ли да опишете експерименталната си симулация за разширяване на експериментите на Милър-Урей по начин, който е персонализиран за ниските температури и уникалната химия на Титан?
JB: След експериментите на Милър-Урей бяха проведени много експериментални симулации на предполагаема пребиотична система. Но след извличането на данните на Voyager изглеждаше необходимо да се върнем към този подход, за да симулираме атмосферата на Титан. Тогава няколко учени проведоха подобни симулационни експерименти, като въведоха смес от азот-метан в система като апарата на Милър. Но проблемът стана очевиден поради разликата между експерименталните условия и условията на Титан. Налягането и температурата не са представителни за околната среда на Титан. Тогава решихме да проведем експерименти, които възпроизвеждат налягането и температурата на стратосферата на Титан: газова смес от 2% метан в азот, ниско налягане (около 1 mbar) и криогенна система, за да има ниска температура. Освен това нашата система е поставена в ръкавична кутия, съдържаща чист азот, за да се избегне замърсяване на околната среда от твърдите продукти.
AM: Кой смятате за най-добрия енергиен източник за задействане на синтетичната химия на Титан: магнитосферата на сатурнианските частици, слънчевата радиация или нещо друго?
JB: Учените дебатират какъв източник на енергия би симулирал най-добре енергийните източници в атмосферата на Титан. Ултравиолетово (UV) лъчение? Космически лъчи? Електрони и други енергийни частици, идващи от магнитосферата на Сатурн? Всички тези източници са замесени, но появата им зависи от надморската височина: изключително ултравиолетово лъчение и електрони в йоносферата, UV светлина в стратосферата, докато космическите лъчи се срещат в тропосферата.
Мисля, че подходящият въпрос трябва да бъде: Каква е експерименталната цел? Ако трябва да се разбере химията на водородния цианид (HCN) в стратосферата на Титан, е подходяща симулация с UV лъчение на HCN. Ако целта е да се определят ефектите на електрическите полета, генерирани от галактически космически лъчи в тропосферата, за предпочитане е коронарен разряд на симулирана титанова атмосфера.
При изучаването на стратосферните условия на Титан избрахме да използваме електрически разряд в нашата симулация. Този избор се оспорва от малцина учени, тъй като основният източник на енергия в стратосферата на Титан е UV лъчението. Но нашите резултати потвърдиха нашия експеримент. Открихме всички органични видове, наблюдавани на Титан. Предсказахме наличието на CH3CN (ацетонитрил) преди наблюдението му. За първи път открихме дицианоацетилен, C4N2, нестабилна молекула при стайна температура, която също беше открита в атмосферата на Титан. Средният инфрачервен подпис на твърдите продукти, създадени в нашия експеримент, беше в съответствие с наблюденията на Titan.
AM: Как вашите резултати са част от планираните атмосферни тестове за сондата Cassini-Huygens?
JB: След като си сътрудничихме с екип от Observatoire Astronomique de Bordeaux във Франция, ние определихме диелектричните константи на аерозолни аналози. Това ще ни позволи да преценим как атмосферата и свойствата на повърхността на Титан могат да повлияят на ефективността на радарните експерименти на Касини-Хюйгенс. Височината на борда на сондата Хюйгенс може да бъде повлияна от аерозолните свойства, но трябва да се проведат допълнителни експерименти, за да се потвърди този резултат.
Преди две години въведохме газова смес, N2 / CH4 / CO (98 / 1.99 / 0.01). Целта беше да се определи въздействието на въглеродния оксид, най-разпространеното кислородно съединение върху Титан. Изненадващо, ние открихме оксиран в газообразната фаза като основен кислороден продукт. Тази нестабилна молекула е открита в междузвездната среда, но теоретичните модели не я предсказват за химията на Титан. И все пак може би тази молекула присъства на Титан.
В момента ние анализираме първите молекули, радикали, атоми и йони (или „видове“), създадени в нашия експериментален реактор. Използваме инфрачервена спектрометрия и UV-видима емисия за изследване на възбудени видове като CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. След това ще наблюдаваме връзката между изобилието на тези видове и структурите на твърдите продукти. Съчетавайки тези експериментални резултати с теоретичен модел, разработен в сътрудничество с Университета в Порто в Португалия, ще имаме по-добро разбиране за химията, възникваща в експерименталния реактор. Това ще ни позволи да анализираме данните на Касини-Хюгенс и образуването на мъгла на Титан.
Екипът ни участва и в научното ниво на мисията, тъй като един от учените на мисията също е в нашата група в Laboratoire Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques, LISA). Нашите лабораторни толини ще бъдат използвани като водачи за калибриране на няколко от инструментите на сондата Хюйгенс и орбитата на Касини.
На борда на сондата и орбитата има 18 инструмента. Калибриращи тестове са необходими за газова хроматография и мас-спектроскопия [GC-MS]. GC-MS ще идентифицира и измерва химикали в атмосферата на Титан.
Калибровъчни тестове също са необходими за аерозолния колектор и пиролизер (ACP). Този експеримент ще изтегли аерозолни частици от атмосферата чрез филтри, след което ще загрее уловените проби в пещите, за да изпари летливите вещества и да разложи сложните органични материали.
Композитният инфрачервен спектрометър (CIRS), термичен измервателен уред в орбитата, също трябва да бъде калибриран. В сравнение с предишните космически мисии спектрометърът на борда на Cassini-Huygens е значително подобрение със спектрална разделителна способност десет пъти по-висока от спектрометъра на космическия кораб Voyager.
AM: Имате ли бъдещи планове за това изследване?
JB: Следващата ни стъпка е експеримент, разработен от Мари-Клер Газо, наречен „SETUP“. Експериментът има две части: студена плазма, за да се дисоциира азота, и фотохимичен реактор, за да се фотодисоциира метан. Това ще ни даде по-добра глобална симулация на състоянието на Титан.
Оригинален източник: списание НАСА Астробиология
