Obrazový kredit: ESA
Život, ktorý poznáme, vyžaduje najmenej tri prvky: voda, energia a atmosféra. Medzi Marsom a mesiacmi okolo Jupitera a Saturnu sú dôkazy o jednom alebo dvoch z týchto troch prvkov, ale menej je známe, ak je k dispozícii kompletný súbor. Iba Saturn mesiac, Titan, má atmosféru porovnateľnú so zemským tlakom a je omnoho hustejší ako marťanský (1% z tlaku na morskú hladinu Zeme).
Najzaujímavejším bodom pri simuláciách uhľovodíkových hmly Titanu je to, že táto smogová zložka obsahuje molekuly nazývané tolíny (z gréckeho slova, bahnité), ktoré môžu tvoriť základy stavebných blokov života. Napríklad aminokyseliny, jeden zo stavebných kameňov pozemského života, sa tvoria, keď sa tieto červenohnedé častice podobné smogu umiestnia do vody. Ako Carl Sagan zdôraznil, Titan možno vzhľadom na svoju chémiu považovať za širokú rovnobežnosť s ranou pozemskou atmosférou, a preto je určite dôležitý pre pôvod života.
Letos v lete sa má kozmická loď Cassini agentúry NASA uvedená na trh v roku 1997 naplánovať na obežnú dráhu okolo Saturn a jeho mesiacov na štyri roky. Začiatkom roku 2005 je naplánované, že sa sonda Huygens na prasiatko ponorí do hmlistej atmosféry Titanu a pristane na povrchu Mesiaca. Na orbite sondy Cassini Spacecraft je 12 prístrojov a Huygensova sonda 6 prístrojov. Sonda Huygens je zameraná predovšetkým na vzorkovanie atmosféry. Sonda je vybavená na meranie a zaznamenávanie obrázkov až pol hodiny na povrch. Sonda však nemá nohy, takže keď sa položí na povrch Titana, jej orientácia bude náhodná. A jeho pristátie nemusí byť na mieste s organickými látkami. Obrázky o tom, kde je Cassini na svojej súčasnej obežnej dráhe, sa priebežne aktualizujú a sú k dispozícii na zobrazenie v priebehu misie.
Časopis Astrobiology Magazine mal príležitosť hovoriť s výskumníkom Jean-Michel Bernardom z Parížskej univerzity o tom, ako simulovať komplexnú chémiu Titanu v pozemskej skúmavke. Jeho simulácie prostredia Titana stavajú na klasickej prebiotickej polievke, ktorú prvýkrát pred piatimi rokmi propagovali vedci z University of Chicago, Harold Urey a Stanley Miller.
Astrobiologický časopis (AM): Čo najskôr podnietilo váš záujem o atmosférickú chémiu Titanu?
Jean-Michel Bernard (JB): Ako vytvárajú dve jednoduché molekuly (dusík a metán) veľmi zložitú chémiu? Stane sa z chémie biochémia? Nedávne objavy života v extrémnych podmienkach na Zemi (baktérie na južnom póle pri -40 ° C a archaea pri viac ako +110 ° C v blízkosti hydrotermálnych zdrojov) umožňujú predpokladať, že život by mohol byť prítomný aj v iných svetoch a iných podmienky.
Titan má astrobiologický záujem, pretože je to jediný satelit v slnečnej sústave s hustou atmosférou. Atmosféra Titanu je tvorená dusíkom a metánom. Energetické častice pochádzajúce zo Slnka a Saturnovho prostredia umožňujú komplexnú chémiu, ako je tvorba uhľovodíkov a nitrilov. Častice tiež vytvárajú permanentný zákal okolo satelitu, dažďov metánu, vetra, ročných období V poslednej dobe sa na povrchu Titanu objavujú jazerá uhľovodíkov. Myslím si, že tento objav, ak bude potvrdený misiou Cassini-Huygens, bude veľmi zaujímavý.
To by z Titanu urobilo analógiu k Zemi, pretože by mal atmosféru (plyn), jazerá (kvapalina), opar a pôdu (pevnú), tri potrebné prostredia pre vzhľad života.
Zloženie zákalu Titana nie je známe. Dostupné sú iba optické údaje a je ťažké ich analyzovať z dôvodu zložitosti tohto uhlíkatého materiálu. Uskutočnilo sa veľa experimentov, aby sa napodobnila chémia Titanovej atmosféry, najmä analógy aerosólov, ktoré skupina Carl Sagan označila ako „tolíny“. Zdá sa, že tolíny by mohli byť zapojené do pôvodu života. Hydrolýza týchto titánových aerosólových analógov skutočne vedie k tvorbe aminokyselín, prekurzorov života.
AM: Môžete opísať svoju experimentálnu simuláciu na rozšírenie experimentov Miller-Urey spôsobom, ktorý je prispôsobený nízkym teplotám Titanu a jedinečnej chémii?
JB: Od experimentov s Millerom-Ureyom sa uskutočnilo veľa experimentov simulácie predpokladaného prebiotického systému. Po získaní údajov Voyagera sa však ukázalo, že je potrebné vrátiť sa k tomuto prístupu, aby sa simulovala atmosféra Titana. Potom niekoľko vedcov uskutočnilo takéto simulačné experimenty zavedením zmesi dusíka a metánu do systému, akým je Millerov prístroj. Problém sa však objavil v dôsledku rozdielu medzi experimentálnymi podmienkami a podmienkami Titana. Tlak a teplota nereprezentovali Titanove prostredie. Potom sme sa rozhodli vykonať experimenty, ktoré reprodukujú tlak a teplotu Titanovej stratosféry: zmes plynov 2% metánu v dusíku, nízky tlak (asi 1 mbar) a kryogénny systém, aby sme mali nízku teplotu. Náš systém je ďalej umiestnený v odkladacej skrinke obsahujúcej čistý dusík, aby sa zabránilo kontaminácii tuhých výrobkov okolitým vzduchom.
AM: Čo považujete za najlepší zdroj energie na spustenie syntetickej chémie Titanu: magnetosféru saturnských častíc, slnečné žiarenie alebo niečo iné?
JB: Vedci diskutujú o tom, aký zdroj energie by najlepšie simuloval zdroje energie v Titanovej atmosfére. Ultrafialové (UV) žiarenie? Kozmické lúče? Elektróny a ďalšie energetické častice pochádzajúce zo Saturnovej magnetosféry? Zahrnuté sú všetky tieto zdroje, ale ich výskyt závisí od nadmorskej výšky: extrémne ultrafialové žiarenie a elektróny v ionosfére, UV svetlo vo stratosfére, zatiaľ čo kozmické lúče sa vyskytujú v troposfére.
Myslím si, že primeraná otázka by mala byť: Aký je experimentálny cieľ? Na pochopenie chémie kyanovodíka (HCN) v Titanovej stratosfére je vhodná simulácia pomocou HCN UV žiarenia. Ak je cieľom určiť účinky elektrických polí generovaných galaktickými kozmickými lúčmi v troposfére, je výhodný korónový výboj simulovanej titánovej atmosféry.
Pri štúdiu Titanových stratosférických podmienok sme sa rozhodli použiť pri našej simulácii elektrický výboj. Túto voľbu spochybňuje menšina vedcov, pretože hlavným zdrojom energie v Titanovej stratosfére je UV žiarenie. Naše výsledky však potvrdili náš experiment. Zistili sme všetky organické druhy pozorované na Titáne. Pred jeho pozorovaním sme predpovedali prítomnosť CH3CN (acetonitril). Prvýkrát sme detegovali dikyanoacetylén, C4N2, nestabilnú molekulu pri izbovej teplote, ktorá bola tiež detekovaná v Titanovej atmosfére. Stredný infračervený podpis tuhých produktov vytvorených v našom experimente bol v súlade s pozorovaniami Titana.
AM: Ako sú vaše výsledky súčasťou plánovaného atmosférického testovania sondy Cassini-Huygens?
JB: Po spolupráci s tímom z Observatoire Astronomique de Bordeaux vo Francúzsku sme stanovili dielektrické konštanty aerosólových analógov. To nám umožní odhadnúť, ako by atmosféra a povrchové vlastnosti Titanu mohli ovplyvniť výkon radarových experimentov Cassini-Huygens. Výškomer na palube sondy Huygens by mohol byť ovplyvnený aerosólovými vlastnosťami, ale na potvrdenie tohto výsledku sa musia vykonať doplnkové experimenty.
Pred dvoma rokmi sme zaviedli plynnú zmes N2 / CH4 / CO (98 / 1,99 / 0,01). Cieľom bolo zistiť vplyv oxidu uhoľnatého, najhojnejšej okysličenej zlúčeniny na Titan. Prekvapivo sme detegovali oxiran v plynnej fáze ako hlavný okysličený produkt. Táto nestabilná molekula bola objavená v medzihviezdnom médiu, ale teoretické modely ju predpovedajú pre Titanovu chémiu. Možno je táto molekula prítomná na Titane.
V súčasnosti analyzujeme prvé molekuly, radikály, atómy a ióny (alebo „druhy“) vytvorené v našom experimentálnom reaktore. Na štúdium excitovaných druhov, ako sú CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2, používame infračervenú spektrometriu a UV-viditeľné emisie. Ďalej budeme pozorovať koreláciu medzi množstvom týchto druhov a štruktúrou tuhých produktov. Spojením týchto experimentálnych výsledkov s teoretickým modelom vyvinutým v spolupráci s Univerzitou v Porto v Portugalsku budeme mať lepšie pochopenie chémie vyskytujúcej sa v experimentálnom reaktore. To nám umožní analyzovať údaje Cassini-Huygens a tvorbu zákalu Titana.
Náš tím je zapojený aj na úrovni vedy o misii, keďže jeden z vedcov misie je aj v našej skupine na Laboratoire Inter-Universitaire des Systmos Atmosph riques, LISA). Naše laboratórne tholíny sa použijú ako pomôcky pri kalibrácii niekoľkých nástrojov na sonde Huygens a na obežnej dráhe Cassini.
Na sonde a na obežnej dráhe je 18 prístrojov. Kalibračné testy sú potrebné pre plynovú chromatografiu a hmotnostnú spektroskopiu [GC-MS]. GC-MS bude identifikovať a merať chemikálie v Titanovej atmosfére.
Kalibračné testy sú potrebné aj pre aerosólový kolektor a pyrolyzer (ACP). Tento experiment nasáva aerosólové častice z atmosféry cez filtre, potom zahrieva zachytené vzorky do pecí, aby odparil prchavé látky a rozložil komplexné organické materiály.
Je potrebné kalibrovať aj zložený infračervený spektrometer (CIRS), prístroj na meranie teploty na obežnej dráhe. V porovnaní s predchádzajúcimi vesmírnymi misiami je spektrometer na palube Cassini-Huygens výrazným zlepšením so spektrálnym rozlíšením desaťkrát vyšším ako je spektrometer kozmickej lode Voyager.
AM: Máte na tento výskum plány do budúcnosti?
JB: Naším ďalším krokom je experiment vyvinutý spoločnosťou Marie-Claire Gazeau s názvom „SETUP“. Pokus má dve časti: studenú plazmu na disociáciu dusíka a fotochemický reaktor na fotodisociáciu metánu. Toto nám poskytne lepšiu globálnu simuláciu stavu Titana.
Pôvodný zdroj: NASA Astrobiology Magazine
