Въпреки че Касини орбитърът приключи мисията си на 15 септември 2017 г., данните, които събра на Сатурн и най-голямата му луна - Титан, продължават да изумяват и изумяват. През тринадесетте години, прекарани в орбита на Сатурн и дирижиране на мухата на луните си, сондата събра множество данни за атмосферата, повърхността, метановите езера и богатата органична среда на Титан, които учените продължават да разнасят.
Например, въпросът е за мистериозните „пясъчни дюни“ на Титан, които изглежда са органични по природа и чиято структура и произход са останали загадка. За да се справят с тези мистерии, наскоро екип от учени от университета Джон Хопкинс (JHU) и изследователската компания Nanomechanics проведоха проучване на дюните на Титан и заключиха, че те вероятно са се образували в екваториалните райони на Титан.
Проучването им, „Откъде идва пясъкът на Титан: Прозрение от механичните свойства на кандидатите за пясъчен титан“, наскоро се появи онлайн и беше представено в Списание за геофизични изследвания: планети. Изследването беше ръководено от Ксинтинг Ю, аспирант в катедрата по земни и планетарни науки (EPS) в JHU и включваше асистента на EPS Сара Хорст (съветник на Ю) Чао Хе и Патриша Макгуйгън с подкрепата, предоставена от Брайън Кроуфорд от Nanomechanics Inc.
За да го разрушат, първоначално са забелязани пясъчните дюни на Титан Касини радарни инструменти в района на Shangri-La близо до екватора. Образите, получени от сондата, показаха дълги, линейни тъмни ивици, които приличаха на вятърни дюни, подобни на тези, открити на Земята. След откритието си учените теоретизират, че те се състоят от зърна от въглеводороди, които са се установили на повърхността от атмосферата на Титан.
В миналото учените предполагат, че те се образуват в северните райони около метанните езера на Титан и са разпространени в екваториалния регион от ветровете на Луната. Но откъде всъщност произлизат тези зърна и как те се разпространяват в тези формации, подобни на дюни, остава загадка. Както обаче Ю обясни пред Space Magazine чрез имейл, това е само част от това, което прави тези дюни загадъчни:
„Първо, никой не очакваше да види пясъчни дюни на Титан преди мисията Касини-Хюйгенс, тъй като моделите на глобалната циркулация прогнозираха, че скоростите на вятъра на Титан са твърде слаби, за да издухат материалите, за да образуват дюни. През Касини обаче видяхме огромни линейни дюнови полета, които покриват почти 30% от екваториалните райони на Титан!
„Второ, не сме сигурни как се образуват титановите пясъци. Двунаковите материали на Титан са напълно различни от тези на Земята. На Земята дюнените материали са предимно фрагменти от силикатен пясък, изветрени от силикатни скали. Докато са на Титан, дюнените материали са сложна органика, образувана от фотохимията в атмосферата, падаща на земята. Проучванията показват, че частиците на дюните са доста големи (поне 100 микрона), докато образуваните от фотохимията органични частици все още са доста малки в близост до повърхността (само около 1 микрона). Така че не сме сигурни как малките органични частици се трансформират в големите частици на пясъчна дюна (за да се образува една единствена пясъчна частица ви е необходим милион малки органични частици!)
„Трето, ние също не знаем къде се обработват органичните частици в атмосферата, за да станат по-големи, за да се образуват частиците на дюните. Някои учени смятат, че тези частици могат да бъдат обработвани навсякъде, за да образуват дюнерните частици, докато други изследователи смятат, че образуването им трябва да бъде свързано с течностите на Титан (метан и етан), които в момента се намират само в полярните райони. "
За да хвърлят светлина върху това, Ю и нейните колеги проведоха поредица от експерименти, за да симулират материали, пренасяни както на земни, така и на ледени тела. Това се състоеше в използване на няколко естествени земни пясъци, като силикатен пясъчен плаж, карбонатен пясък и бял пясък от гипс. За да симулират видовете материали, открити на Титан, те са използвали лабораторно произведени толини, които представляват молекули метан, които са били подложени на UV лъчение.
Производството на толини е било проведено специално за пресъздаване на видовете органични аерозоли и условията на фотохимията, които са често срещани на Титан. Това беше направено с помощта на експерименталната система Планетарно изследване на HAZE (PHAZER) в университета Джон Хопкинс - за която главен изследовател е Сара Хорст. Последната стъпка се състоеше в използването на техника за наноидентификация (наблюдавана от Брайън Крофорд от Nanometrics Inc.) за изследване на механичните свойства на симулираните пясъци и толини.
Това се състоеше в поставянето на симулаторите на пясък и толините във вятърни тунели, за да се определи тяхната мобилност и да се види дали те могат да бъдат разпределени по същите модели. Както Ю обясни:
„Мотивацията зад изследването е да се опитаме да отговорим на третата загадка. Ако материалите за дюните се обработват чрез течности, които са разположени в полярните райони на Титан, те трябва да бъдат достатъчно здрави, за да бъдат транспортирани от полюсите до екваториалните райони на Титан, където се намират повечето от дюните. Въпреки това, толините, които произвеждахме в лабораторията, са в изключително ниски количества: дебелината на филма на толин, който произведехме, е само около 1 микрона, около 1 / 10-1 / 100 от дебелината на човешката коса. За да се справим с това, използвахме много интригуваща и прецизна техника на наноразмер, наречена наноиндикация, за да извършим измерванията. Въпреки че произведените вдлъбнатини и пукнатини са в нанометрова скала, все още можем точно да определим механични свойства като модула на Йънг (индикатор за твърдост), твърдост на наноиндексацията (твърдост) и устойчивост на счупване (индикатор за крехкост) на тънкия филм. “
В крайна сметка екипът определи, че органичните молекули, открити на Титан, са много по-меки и чупливи в сравнение дори с най-меките пясъци на Земята. Най-просто казано, произведените от тях толини не изглеждат сили да изминат огромното разстояние, което се намира между северните метанови езера на Титан и екваториалния регион. От това те стигнаха до извода, че органичните пясъци на Титан вероятно се образуват близо до мястото, където се намират.
„И тяхното образуване може да не включва течности на Титан, тъй като това ще изисква огромно разстояние за транспорт от над 2000 километра от полюсите на Титана до екватора“, добави Ю. „Меките и чупливи органични частици ще бъдат смилани на прах, преди да стигнат до екватора. Нашето проучване използва напълно различен метод и затвърди някои резултати, направени от наблюденията на Касини. "
В крайна сметка това проучване представлява ново направление за изследователите, когато става въпрос за изследване на Титан и други тела в Слънчевата система. Както Ю обясни, в миналото изследователите бяха предимно ограничени Касини данни и моделиране, за да отговорим на въпроси за пясъчните дюни на Титан. Въпреки това, Ю и нейните колеги успяха да използват аналогично произведени лаборатории за справяне с тези въпроси, въпреки факта, че Касини мисията вече е към своя край.
Нещо повече, това най-ново проучване със сигурност ще има огромна стойност, тъй като учените продължават да се разправят Касини данни в очакване на бъдещи мисии до Титан. Тези мисии имат за цел да изучат по-подробно пясъчните дюни на Титан, метановите езера и богатата органична химия. Както Ю обясни:
„[O] резултатите от ур не само могат да помогнат за разбирането на произхода на дюните и пясъците на Титан, но също така ще предоставят решаваща информация за потенциални бъдещи мисии за кацане на Титан, като Dragonfly (един от двама финалисти (от дванадесет предложения), избрани за по-нататъшно разработване на концепцията от програмата на НАСА New Frontiers). Материалните свойства на органиката на Титан всъщност могат да осигурят невероятни улики за разрешаване на някои от загадките на Титан.
„В проучване, публикувано миналата година в JGR-планетите (2017, 122, 2610–2622), открихме, че силите на междучастиците между частиците на толина са много по-големи от обикновения пясък на Земята, което означава, че органичните вещества на Титан са много повече сплотени (или по-леки) от силикатните пясъци на Земята. Това означава, че се нуждаем от по-голяма скорост на вятъра, за да издухаме пясъчните частици на Титан, което би могло да помогне на изследователите на модели да отговорят на първата загадка. Той също така предполага, че пясъците на Титан могат да се образуват чрез обикновена коагулация на органични частици в атмосферата, тъй като те са много по-лесни за слепване. Това може да ви помогне да разберете втората загадка на пясъчните дюни на Титан. "
В допълнение, това проучване има последици за изследването на тела, различни от Титан. „Ние открихме органика на много други тела на Слънчевата система, особено на ледени тела във външната Слънчева система, като Плутон, Луна на Нептун, Тритон и комета 67P“, каза Ю. „А някои от органичните вещества се получават фотохимично подобно на Титан. И ние открихме черти, издухани от вятъра (наричани аеолови характеристики) и на тези тела, така че нашите резултати могат да бъдат приложени и върху тези планетарни тела. "
През следващото десетилетие се очаква множество мисии, които да изследват луните на външната Слънчева система и да разкрият неща за богатата им среда, които биха могли да помогнат да хвърлят светлина върху произхода на живота тук на Земята. В допълнение, Космически телескоп Джеймс Уеб (сега се очаква да бъде разгърната през 2021 г.) също ще използва своя усъвършенстван набор от инструменти за изучаване на планетите на Слънчевата система с надеждата да реши тези горещи въпроси.
