I když Cassini orbiter ukončil svou misi 15. září 2017, data, která shromáždila na Saturn a jeho největším měsíci Titanu, nadále ohromuje a ohromuje. Během třinácti let, kdy strávila oběžnou dráhu Saturn a prováděla prolétání svých měsíců, sonda shromáždila velké množství údajů o Titanově atmosféře, povrchu, jezerech metanu a bohatém organickém prostředí, které vědci i nadále pórují.
Například na Titanu existuje záhadná „písečná duna“, která se jeví jako organická a jejíž struktura a původ zůstávají záhadou. K řešení těchto záhad, tým vědců z John Hopkins University (JHU) a výzkumná společnost Nanomechanics nedávno provedli studii Titanových dun a dospěli k závěru, že se pravděpodobně vytvořili v Titanových rovníkových oblastech.
Jejich studie „Odkud pochází Titan Sand: Insight z mechanických vlastností kandidátů na Titan Sand“, se nedávno objevila online a byla předložena Žurnál geofyzikálního výzkumu: Planety. Studii vedl Xinting Yu, postgraduální student na Katedře Země a planetárních věd (EPS) na JHU. Zahrnovali pomocné profesory EPS Sarah Horst (Yuův poradce) Chao He a Patricia McGuiggan s podporou poskytovanou Bryanem Crawfordem z Nanomechanics Inc.
Abychom to rozbili, byly původně spatřeny písečné duny Titan Cassini je radarové nástroje v oblasti Shangri-La poblíž rovníku. Snímky, které získala sonda, ukazovaly dlouhé, lineární tmavé pruhy, které vypadaly jako větrné duny podobné těm na Zemi. Od svého objevu vědci předpokládali, že se skládají zrn uhlovodíků, které se usadily na povrchu z Titanovy atmosféry.
V minulosti vědci předpokládali, že se formují v severních oblastech kolem metanových jezer Titan a jsou distribuována do rovníkové oblasti větry měsíce. Ale kde tato zrna skutečně pocházela a jak se rozdělovaly v těchto formacích podobných dunám, zůstalo tajemstvím. Jak však Yu vysvětlil časopisu Space Magazine e-mailem, je to jen část toho, co činí tyto duny záhadnými:
"Za prvé, nikdo neočekával, že na Titanu před misí Cassini-Huygens neuvidí žádné písečné duny, protože modely globální cirkulace předpovídaly, že rychlosti větru na Titanu jsou příliš slabé na to, aby vyhodily materiály do dun. Prostřednictvím Cassini jsme však viděli obrovská pole lineárních dun, která pokrývají téměř 30% rovníkových oblastí Titanu!
"Za druhé, nejsme si jistí, jak se vytvářejí titanové písky. Materiály na Titanu jsou úplně odlišné od materiálů na Zemi." Na Zemi jsou materiály dun převážně částice křemičitého písku zvětralé ze silikátových hornin. Na Titanu jsou dunové materiály složité organické látky tvořené fotochemií v atmosféře, které padají na zem. Studie ukazují, že částice duny jsou dosti velké (nejméně 100 mikronů), zatímco fotochemie tvořené organické částice jsou stále velmi malé poblíž povrchu (pouze kolem 1 mikronu). Nejsme si tedy jisti, jak se malé organické částice přeměňují na velké částice písečných dun (potřebujete milion malých organických částic, abyste vytvořili jednu pískovou částici!)
"Zatřetí také nevíme, kde se organické částice v atmosféře zpracovávají tak, aby se zvětšily a vytvořily částice duny." Někteří vědci se domnívají, že tyto částice mohou být zpracovány všude, aby vytvořily částice duny, zatímco někteří jiní vědci se domnívají, že jejich formace musí být zapojena do Titanových kapalin (metan a ethan), které se v současné době nacházejí pouze v polárních oblastech. ““
Aby to osvětlily, provedla Yu a její kolegové řadu experimentů, aby simulovali materiály transportované na pozemních i ledových tělech. Jednalo se o použití několika přírodních písků Země, jako je silikátový plážový písek, uhličitanový písek a bílý písek ze gyspum. K simulaci druhů materiálů nalezených na Titanu použili laboratorně vyráběné tholiny, což jsou molekuly metanu, které byly vystaveny UV záření.
Produkce tholinů byla specificky prováděna za účelem opětovného vytvoření druhů organických aerosolů a fotochemických podmínek, které jsou na Titanu běžné. To bylo provedeno pomocí experimentálního systému Planetary HAZE Research (PHAZER) na univerzitě Johns Hopkins University - jehož hlavním řešitelem je Sarah Horst. Poslední krok spočíval v použití nanoidentifikační techniky (pod dohledem Bryana Crawforda z Nanometrics Inc.) ke studiu mechanických vlastností simulovaných písků a tholinů.
To spočívalo v umístění simulátorů písku a tholinů do větrného tunelu, aby se určila jejich mobilita a zjistilo se, zda by mohly být distribuovány ve stejných vzorcích. Jak Yu vysvětlil:
„Motivací studie je pokusit se odpovědět na třetí tajemství. Pokud jsou materiály dun zpracovávány kapalinami, které jsou umístěny v polárních oblastech Titanu, musí být dostatečně silné, aby mohly být transportovány z pólů do rovníkových oblastí Titanu, kde se nachází většina dun. Avšak tholiny, které jsme v laboratoři vytvořili, jsou v extrémně nízkých množstvích: tloušťka vyrobeného tholinového filmu je pouze kolem 1 mikronu, přibližně 1/10-1/100 tloušťky lidských vlasů. K vyřešení tohoto problému jsme k provádění měření použili velmi zajímavou a přesnou techniku nanočástic zvanou nanoindentace. I když jsou vytvořené odrážky a trhliny všechny v nanometrových měřítcích, stále můžeme přesně určit mechanické vlastnosti, jako je Youngův modul (indikátor tuhosti), nanoindentační tvrdost (tvrdost) a lomová houževnatost (indikátor křehkosti) tenkého filmu. “
Nakonec tým zjistil, že organické molekuly na Titanu jsou mnohem měkčí a křehčí ve srovnání s nejjemnějšími písky na Zemi. Jednoduše řečeno, zdá se, že tholiny, které vyrobily, neměly sílu urazit obrovskou vzdálenost, která leží mezi jezerem Titan v severním metanu a rovníkovou oblastí. Z toho dospěli k závěru, že organické písky na Titanu se pravděpodobně tvoří poblíž místa, kde se nacházejí.
"A jejich formování nemusí zahrnovat kapaliny na Titanu, protože by to vyžadovalo obrovskou přepravní vzdálenost více než 2000 kilometrů od sloupů Titanu k rovníku," dodal Yu. "Měkké a křehké organické částice by byly rozdrceny na prach, než se dostanou k rovníku." Naše studie použila úplně jinou metodu a posílila některé výsledky odvozené z pozorování Cassiniho. “
Tato studie nakonec představuje pro vědce nový směr, pokud jde o studium Titanu a dalších těl ve Sluneční soustavě. Jak Yu vysvětlil, v minulosti byli vědci většinou omezeni Cassini data a modelování k zodpovězení otázek o písečných dunách Titanu. Yu a její kolegové však byli schopni k řešení těchto otázek použít laboratorní analogy, přestože Cassini mise je nyní na konci.
A co víc, tato nejnovější studie bude mít jistě nesmírnou hodnotu, protože vědci stále pórují Cassini je data v očekávání budoucích misí do Titanu. Cílem těchto misí je podrobněji studovat písečné duny Titan, metanová jezera a bohatou organickou chemii. Jak Yu vysvětlil:
„[O] ur výsledky mohou nejen pomoci pochopit původ Titanových dun a písků, ale také poskytnou klíčové informace pro potenciální budoucí přistávací mise na Titanu, jako je Dragonfly (jeden ze dvou finalistů (z dvanácti návrhů) vybraných pro další vývoj koncepcí programem NASA New Frontiers). Hmotné vlastnosti organických látek na Titanu mohou skutečně poskytnout úžasné vodítka k vyřešení některých záhad na Titanu.
„Ve studii, kterou jsme zveřejnili minulý rok na planetách JGR (2017, 122, 2610–2622), jsme zjistili, že mezičásticové síly mezi částicemi tholinu jsou mnohem větší než obyčejný písek na Zemi, což znamená, že organické látky na Titanu jsou mnohem více kohezivní (nebo lepkavější) než silikátové písky na Zemi. To znamená, že potřebujeme větší rychlost větru k ofukování pískových částic na Titan, což by mohlo pomoci výzkumným pracovníkům modelování odpovědět na první tajemství. To také naznačuje, že titanové písky by mohly být vytvořeny jednoduchou koagulací organických částic v atmosféře, protože se mnohem snáze lepí dohromady. To by mohlo pomoci pochopit druhé tajemství písečných dun Titanu. “
Tato studie má kromě toho důsledky pro studium jiných orgánů než Titanu. "Našli jsme organické látky na mnoha dalších tělesech sluneční soustavy, zejména na ledových tělesech ve vnější sluneční soustavě, jako je Pluto, Neptunův Měsíc Triton a kometa 67P," řekl Yu. "A některé z organických látek jsou fotochemicky produkovány podobně jako Titan." A na těchto tělech jsme také našli větrem foukané rysy (nazývané aolské rysy), takže naše výsledky lze aplikovat i na tato planetární těla. “
V nadcházejícím desetiletí se očekává, že více misí prozkoumá měsíce vnější sluneční soustavy a odhalí věci o jejich bohatém prostředí, které by mohlo pomoci vrhnout světlo na původ života zde na Zemi. Kromě toho James Webb Space Telescope (nyní se předpokládá, že bude nasazen v roce 2021) také použije svůj pokročilý oblek nástrojů ke studiu planet Sluneční soustavy v naději, že vyřeší tyto vypálené otázky.
