Aj keď Cassini orbiter ukončil svoju misiu 15. septembra 2017, údaje, ktoré zhromaždil o Saturnovi a jeho najväčšom mesiaci Titan, naďalej ohromujú a ohromujú. Počas trinástich rokov, keď strávila obežnú dráhu Saturn a uskutočňovala prelety svojich mesiacov, sonda zhromaždila veľké množstvo údajov o Titanovej atmosfére, povrchu, metánových jazerách a bohatom organickom prostredí, ktoré vedci naďalej púšťajú.
Napríklad na Titane existuje záhadná „piesočná duna“, ktorá sa javí ako organická a jej štruktúra a pôvod zostávajú záhadou. Na riešenie týchto záhad, tím vedcov z John Hopkins University (JHU) a výskumná spoločnosť Nanomechanics nedávno vykonali štúdiu Titanových dún a dospeli k záveru, že sa pravdepodobne vytvorili v Titanových rovníkových oblastiach.
Ich štúdia s názvom „Odkiaľ pochádza Titan Sand: prehľad o mechanických vlastnostiach kandidátov na piesok Titan“, sa nedávno objavila online a bola predložená Žurnál geofyzikálneho výskumu: planéty. Štúdiu viedla Xinting Yu, postgraduálna študentka na Katedre Zeme a planétových vied (EPS) na JHU. Zahŕňali asistentky profesorov EPS Sarah Horst (poradca Yu) Chao He a Patricia McGuiggan s podporou Bryana Crawforda z Nanomechanics Inc.
Aby sa to pokazilo, piesočné duny Titan boli pôvodne spozorované Cassiniho radarové prístroje v oblasti Shangri-La v blízkosti rovníka. Snímky, ktoré získala sonda, ukázali dlhé, lineárne tmavé pruhy, ktoré vyzerali ako veterné duny podobné tým, ktoré sa našli na Zemi. Od ich objavu vedci predpokladajú, že sa skladajú z zŕn uhľovodíkov, ktoré sa usadili na povrchu z Titanovej atmosféry.
V minulosti vedci predpokladali, že sa formujú v severných oblastiach okolo metánových jazier Titanu a sú distribuované do rovníkovej oblasti vetrom Mesiaca. Ale odkiaľ tieto zrná pochádzajú a ako sa distribuujú v týchto formáciách podobných dunám, zostalo tajomstvom. Ako však Yu vysvetlil časopisu Space Magazine e-mailom, toto je len časť toho, čo robí tieto duny záhadnými:
„Po prvé, nikto neočakával, že sa na Titane objavia piesočné duny pred misiou Cassini-Huygens, pretože modely globálnej cirkulácie predpokladali, že rýchlosti vetra na Titane sú príliš slabé na to, aby vyfúkli materiály na vytvorenie dún. Cez Cassini sme však videli obrovské lineárne dunové polia, ktoré pokrývajú takmer 30% rovníkových oblastí Titanu!
"Po druhé, nie sme si istí, ako sa formujú titánové piesky. Materiály na Titane sú úplne odlišné od materiálov na Zemi." Na Zemi sú dunovými materiálmi hlavne úlomky kremičitého piesku zvetrané zo silikátových hornín. Na Titane sú dunové materiály komplexné organické látky tvorené fotochémiou v atmosfére, ktoré padajú na zem. Štúdie ukazujú, že častice duny sú dosť veľké (najmenej 100 mikrónov), zatiaľ čo organické častice tvorené fotochémiou sú stále veľmi malé pri povrchu (iba približne 1 mikrón). Nie sme si teda istí, ako sa malé organické častice transformujú na veľké častice pieskových dún (na vytvorenie jednej piesočnatej častice potrebujete milión malých organických častíc!)
„Po tretie, tiež nevieme, kde sa organické častice v atmosfére spracúvajú, aby sa zväčšili a vytvorili častice duny. Niektorí vedci sa domnievajú, že tieto častice môžu byť spracované všade, aby vytvorili častice duny, zatiaľ čo iní vedci sa domnievajú, že ich tvorba sa musí zapájať do tekutín Titanu (metán a etán), ktoré sa v súčasnosti nachádzajú iba v polárnych oblastiach. ““
Aby to bolo možné objasniť, Yu a jej kolegovia uskutočnili sériu experimentov na simuláciu transportovaných materiálov na suchozemských aj ľadových telách. To spočívalo v použití niekoľkých prírodných pieskov Zeme, ako je silikátový plážový piesok, uhličitanový piesok a piesok z bielych gyspumov. Na simuláciu druhov materiálov, ktoré sa nachádzajú na Titane, použili laboratórne vyrobené tolíny, čo sú molekuly metánu, ktoré boli vystavené UV žiareniu.
Výroba tolínov bola špecificky uskutočňovaná za účelom obnovenia druhov organických aerosólov a fotochemických podmienok, ktoré sú pre Titan bežné. Toto sa uskutočnilo pomocou experimentálneho systému Planetary HAZE Research (PHAZER) na Johns Hopkins University - ktorého hlavným riešiteľom je Sarah Horst. Posledný krok spočíval v použití nanoidentifikačnej techniky (ktorú dohliada na Bryan Crawford z Nanometrics Inc.) na štúdium mechanických vlastností simulovaných pieskov a tolínov.
To spočívalo v umiestnení pieskových simulantov a tolínov do veterného tunela, aby sa určila ich mobilita a zistilo sa, či by sa dali distribuovať v rovnakých vzoroch. Ako Yu vysvetlil:
„Motiváciou štúdie je pokúsiť sa odpovedať na tretie tajomstvo. Ak sa dunové materiály spracúvajú pomocou tekutín, ktoré sa nachádzajú v polárnych oblastiach Titanu, musia byť dostatočne pevné, aby sa mohli prepravovať z pólov do rovníkových oblastí Titanu, kde sa nachádza väčšina dún. Avšak tholíny, ktoré sme v laboratóriu vyrábali, sú v extrémne nízkych množstvách: hrúbka vyrobeného tolínového filmu je iba okolo 1 mikrónu, približne 1/10-1 100 hrúbky ľudských vlasov. Na vyriešenie tohto problému sme na vykonanie meraní použili veľmi zaujímavú a presnú techniku nanorozmerov nazývanú nanoindentácia. Aj keď sú vyrobené zarážky a trhliny všetky v nanometrických mierkach, stále môžeme presne určiť mechanické vlastnosti, ako je Youngov modul (indikátor tuhosti), nanoindentačná tvrdosť (tvrdosť) a lomová húževnatosť (indikátor krehkosti) tenkého filmu. “
Tím nakoniec zistil, že organické molekuly nachádzajúce sa na Titáne sú v porovnaní s najjemnejšími pieskami na Zemi oveľa mäkšie a krehkejšie. Zjednodušene povedané, zdá sa, že produkované tolíny nemajú silu prekonať obrovskú vzdialenosť, ktorá leží medzi severnými titánovými jazerami Titanu a rovníkovou oblasťou. Z toho vyvodili záver, že organické piesky na Titáne sa pravdepodobne tvoria blízko miesta, kde sa nachádzajú.
"A ich formovanie nemusí zahŕňať kvapaliny na Titane, pretože by si to vyžadovalo veľkú prepravnú vzdialenosť viac ako 2000 kilometrov od stĺpov Titanu k rovníku," dodal Yu. „Mäkké a krehké organické častice by sa rozdrvili na prach skôr, ako sa dostanú k rovníku. Naša štúdia použila úplne inú metódu a posilnila niektoré výsledky odvodené z pozorovaní Cassiniho. ““
Táto štúdia nakoniec predstavuje pre vedcov nový smer, pokiaľ ide o štúdium Titanu a ďalších telies v slnečnej sústave. Ako Yu vysvetlil, v minulosti boli vedci väčšinou obmedzení Cassini údaje a modelovanie na zodpovedanie otázok o pieskových dunách Titanu. Yu a jej kolegovia však boli schopní na vyriešenie týchto otázok použiť laboratórne analógy napriek skutočnosti, že Cassini misia je teraz na konci.
A čo viac, táto najnovšia štúdia bude mať určite obrovskú hodnotu, pretože vedci ju naďalej púšťajú Cassiniho údaje v očakávaní budúcich misií v Titane. Cieľom týchto misií je podrobnejšie študovať piesočné duny Titan, metánové jazerá a bohatú organickú chémiu. Ako Yu vysvetlil:
„[O] ur výsledky môžu nielen pomôcť pochopiť pôvod Titanových dún a pieskov, ale tiež poskytnú dôležité informácie pre potenciálne budúce pristávacie misie na Titane, ako je Dragonfly (jeden z dvoch finalistov (z dvanástich návrhov) vybraných pre ďalší vývoj koncepcie programom NASA New Frontiers). Materiálne vlastnosti organických látok na Titáne môžu skutočne poskytnúť úžasné stopy na vyriešenie niektorých záhad na Titáne.
„V štúdii, ktorú sme uverejnili minulý rok na planétach JGR (2017, 122, 2610–2622), sme zistili, že medzičasticové sily medzi časticami tolínu sú oveľa väčšie ako obyčajný piesok na Zemi, čo znamená, že organické látky na Titáne sú oveľa viac súdržné (alebo lepivejšie) ako silikátové piesky na Zemi. To znamená, že potrebujeme väčšiu rýchlosť vetra na odfúknutie pieskových častíc na Titan, čo by mohlo pomôcť výskumným pracovníkom v oblasti modelovania odpovedať na prvé tajomstvo. To tiež naznačuje, že titánové piesky by sa mohli vytvoriť jednoduchou koaguláciou organických častíc v atmosfére, pretože sa oveľa ľahšie zlepia. To by mohlo pomôcť pochopiť druhé tajomstvo pieskových dún Titanu. “
Táto štúdia má okrem toho dôsledky pre štúdium orgánov iných ako Titan. "Našli sme organické látky na mnohých ďalších telách slnečnej sústavy, najmä na ľadových telách vonkajšej slnečnej sústavy, ako je Pluto, Neptúnov mesiac Triton a kométa 67P," povedal Yu. „Niektoré organické látky sa fotochemicky vyrábajú podobne ako Titan. A na týchto telách sme našli aj fúkané vetrové prvky (nazývané Liparské rysy), takže naše výsledky by sa mohli vzťahovať aj na tieto planétové telesá. ““
V nasledujúcom desaťročí sa očakáva, že viaceré misie preskúmajú mesiace vonkajšej slnečnej sústavy a odhalia veci o ich bohatom prostredí, ktoré by mohli pomôcť vrhnúť svetlo na pôvod života tu na Zemi. Okrem toho James Webb Space Telescope (teraz sa predpokladá, že bude nasadená v roku 2021) využije svoj pokročilý nástroj na skúmanie planét Slnečnej sústavy v nádeji, že vyrieši tieto horúce otázky.
