Vaikka Cassini Orbiter päätti tehtävänsä 15. syyskuuta 2017, Saturnusta ja sen suurimmasta kuusta Titanista kerätyt tiedot hämmästyvät edelleen ja hämmästyvät. Kolmentoista vuoden aikana, kun se vietti kiertävää Saturnia ja suoritti kuunsa perhosia, koetin keräsi runsaasti tietoja Titanin ilmakehästä, pinnasta, metaanijärvistä ja rikkaasta orgaanisesta ympäristöstä, jonka tiedemiehet jatkavat huokosiinsa.
Esimerkiksi Titanin salaperäisillä ”hiekkadyyneillä”, jotka näyttävät olevan luonteeltaan orgaanisia ja joiden rakenne ja alkuperä ovat edelleen, ovat kysymys. Näiden salaisuuksien ratkaisemiseksi John Hopkinsin yliopiston (JHU) ja tutkimusyrityksen Nanomechanicsin tutkijaryhmä teki äskettäin tutkimuksen Titanin dyynistä ja päätteli, että ne todennäköisesti muodostuivat Titanin päiväntasaajan alueille.
Heidän tutkimuksensa “Mistä Titan Sand tulee: Titan Titan Sand -ehdokkaiden mekaanisten ominaisuuksien kuvaus” ilmestyi äskettäin verkossa ja se on toimitettu Geofysikaalisen tutkimuksen lehti: Planets. Tutkimusta johti JHU: n maapallon ja planeettatieteiden laitoksen (EPS) jatko-opiskelija Xinting Yu. Tutkimukseen osallistuivat EPS-apulaisprofessorit Sarah Horst (Yun neuvonantaja) Chao He ja Patricia McGuiggan tuella Bryan Crawford of Nanomekaniikka Inc.
Hajottaaksesi sen, Titanin hiekkadyynit huomasivat alun perin Cassinin tutka-instrumentit Shangri-La-alueella lähellä päiväntasaajaa. Saaduissa koettimissa käydyissä kuvissa oli pitkiä, lineaarisia tummia raitoja, jotka näyttivät tuulen pyyhkäisyltä dyyniltä, jotka olivat samanlaisia kuin maapallolla. Löytöstään lähtien tutkijat ovat teorioineet, että ne koostuvat hiilivetyjyvistä, jotka ovat laskeutuneet pinnalle Titanin ilmakehästä.
Aikaisemmin tutkijat ovat väittäneet, että ne muodostuvat pohjoisilla alueilla Titanin metaanijärvien ympärillä ja että kuun tuulet leviävät päiväntasaajan alueelle. Mutta mistä nämä jyvät tosiasiallisesti tulivat ja miten ne tulivat jakautumaan näihin dyynimallisiin muodostelmiin, on jäänyt mysteeri. Kuten Yu selitti Space Magazinelle sähköpostitse, se on vain osa sitä, mikä tekee nämä dyynit salaperäisiksi:
Ensinnäkin kukaan ei odottanut näkevänsä hiekkadyynejä Titanilla ennen Cassini-Huygens-operaatiota, koska globaalit kiertomallit ennustivat, että Titanin tuulen nopeudet ovat liian heikot puhaltamaan materiaaleja dyynien muodostamiseksi. Kuitenkin Cassinin kautta näimme valtavia lineaarisia dyynikenttiä, jotka kattavat lähes 30% Titanin päiväntasaajan alueista!
”Toiseksi, emme ole varmoja kuinka Titan-hiekka muodostetaan. Titan-hiekkamateriaalit ovat täysin erilaisia kuin maan päällä. Maapallolla dyynimateriaalit ovat pääosin silikaattihiekkapalasia, jotka ovat laskeutuneet silikaattikiveistä. Titanilla ollessa dyynimateriaalit ovat monimutkaisia orgaanisia yhdisteitä, jotka valokeemia muodostaa ilmakehässä ja putoaa maahan. Tutkimukset osoittavat, että dyynihiukkaset ovat melko suuria (vähintään 100 mikronia), kun taas fotokemian muodostuneet orgaaniset hiukkaset ovat edelleen melko pieniä lähellä pintaa (vain noin 1 mikroni). Joten emme ole varmoja siitä, kuinka pienet orgaaniset hiukkaset muuttuvat isoiksi hiekkadyynihiukkasiksi (tarvitset miljoonan pienen orgaanisen hiukkasen yhden hiekan hiukkasen muodostamiseksi!)
”Kolmanneksi, emme myöskään tiedä missä ilmakehän orgaaniset hiukkaset prosessoidaan suuremmiksi muodostamaan dyynihiukkasia. Joidenkin tutkijoiden mielestä nämä hiukkaset voidaan prosessoida kaikkialla dyynihiukkasten muodostamiseksi, kun taas jotkut muut tutkijat uskovat, että niiden muodostumisen on oltava yhteydessä Titanin nesteisiin (metaani ja etaani), jotka sijaitsevat tällä hetkellä vain napa-alueilla. "
Valottaakseen tätä Yu ja hänen kollegansa tekivät sarjan kokeita simuloidakseen materiaaleja, jotka kuljetetaan sekä maanpäällisellä että jäisellä rungolla. Tämä koostui useiden luonnollisten maahiekkojen, kuten silikaattirannan hiekan, karbonaattihiekan ja valkoisen gyspum-hiekan käytöstä. Titanilla löydettyjen materiaalien simuloimiseksi he käyttivät laboratoriossa tuotettuja tholineja, jotka ovat metaanimolekyylejä, joille on annettu UV-säteily.
Tholiinien tuotanto suoritettiin erityisesti Titanissa yleisten orgaanisten aerosolien ja valokemiaolosuhteiden uudelleen luomiseksi. Tämä tehtiin käyttämällä Planetary HAZE Research (PHAZER) -kokeellista järjestelmää Johns Hopkins Universityssa - jonka päätutkija on Sarah Horst. Viimeinen vaihe koostui nanoidentifikaatiotekniikan käytöstä (jota valvoo Bryan Crawford, Nanometrics Inc.) simuloitujen hiekkojen ja tholiinien mekaanisten ominaisuuksien tutkimiseksi.
Tämä koostui hiekkasimulanttien ja tholiinien sijoittamisesta tuuletunneliin niiden liikkuvuuden määrittämiseksi ja niiden jakautumisen samoihin malleihin nähden. Kuten Yu selitti:
”Tutkimuksen motiivina on yrittää vastata kolmanteen mysteeriin. Jos dyynimateriaalit jalostetaan nesteiden kautta, jotka sijaitsevat Titanin napa-alueilla, niiden on oltava riittävän vahvoja kuljettamaankseen napoilta Titanin päiväntasaajan alueille, missä suurin osa dyynistä sijaitsee. Laboratoriossa tuottamiamme tholineja on kuitenkin erittäin pieniä määriä: tuottamamme tholiinikalvon paksuus on vain noin 1 mikroni, noin 1 / 10-1 / 100 ihmisen hiusten paksuudesta. Käsitelläksemme tätä mittauksissa käytimme erittäin kiehtovaa ja tarkkaa nanomittakaavan tekniikkaa, nimeltään nanoindentaatio. Vaikka tuotetut sisennykset ja halkeamat ovat kaikki nanometriasteikolla, voimme silti määrittää tarkasti mekaaniset ominaisuudet, kuten Youngin moduulin (jäykkyysindikaattori), nanoindentaation kovuuden (kovuuden) ja murtolujuuden (haurauden indikaattori). "
Loppujen lopuksi ryhmä päätti, että Titanilta löytyvät orgaaniset molekyylit ovat paljon pehmeämpiä ja hauraampia verrattuna jopa maan pehmeimpiin hiekkoihin. Yksinkertaisesti sanottuna niiden tuottamilla tholineilla ei näyttänyt olevan voimaa kulkea valtavan etäisyyden päässä Titanin pohjoisten metaanijärvien ja päiväntasaajan välillä. Tämän perusteella he päättelivät, että Titanin orgaaniset hiekka muodostunee todennäköisesti lähellä sijaintipaikkaa.
"Ja niiden muodostumiseen ei saa liittyä nesteitä Titanilla, koska se vaatisi yli 2000 kilometrin valtavan kuljetusetäisyyden Titanin navoista päiväntasaajaan", Yu lisäsi. ”Pehmeät ja hauraat orgaaniset hiukkaset jauhetaan pölyksi ennen kuin ne saavuttavat päiväntasaajan. Tutkimuksessamme käytettiin täysin erilaista menetelmää ja vahvistettiin joitain Cassini-havaintoista johdettuja tuloksia. ”
Loppujen lopuksi tämä tutkimus on uusi suunta tutkijoille Titanin ja muiden aurinkokunnan elinten tutkimiseksi. Kuten Yu selitti, aiemmin tutkijoita rajoitettiin Cassini tiedot ja mallinnus vastaamaan Titanin hiekkadyynejä koskeviin kysymyksiin. Yu ja hänen kollegansa pystyivät kuitenkin käyttämään laboratoriossa tuotettuja analogeja vastaamaan näihin kysymyksiin huolimatta siitä, että Cassini operaatio on nyt lopussa.
Lisäksi tällä viimeisimmällä tutkimuksella on varmasti erittäin suuri arvo, kun tutkijat jatkavat huijaamistaan Cassinin tiedot ennakoiden tulevia matkoja Titaniin. Näiden tehtävien tarkoituksena on tutkia tarkemmin Titanin hiekkadyynejä, metaanijärviä ja rikasta orgaanista kemiaa. Kuten Yu selitti:
”[O] ur-tulokset eivät voi vain auttaa ymmärtämään Titanin dyynien ja hiekan alkuperää, vaan myös tarjoamaan tärkeätä tietoa mahdollisille tuleville Titanin laskeutumisoperaatioille, kuten Dragonfly (yksi kahdesta finalistista (kahdestatoista ehdotuksesta), jotka on valittu NASA: n New Frontiers -ohjelman jatkokonseptikehitys). Titanin orgaanisten aineiden aineelliset ominaisuudet voivat todella tarjota uskomattomia vihjeitä joidenkin Titanin mysteerien ratkaisemiseksi.
”Viime vuonna JGR-planeetoilla julkaistun tutkimuksen (2017, 122, 2610–2622) yhteydessä selvisimme, että tholiinihiukkasten väliset hiukkasten väliset voimat ovat paljon suuremmat kuin tavallinen hiekka maapallolla, mikä tarkoittaa, että Titanin orgaaniset osat ovat paljon enemmän kohesiivinen (tai tarttuvampi) kuin silikaattihiekka maan päällä. Tämä tarkoittaa, että tarvitsemme suurempaa tuulennopeutta hiekkapartikkelien puhaltamiseksi Titanille, mikä voisi auttaa mallinnustutkijoita vastaamaan ensimmäiseen mysteeriin. Se ehdottaa myös, että Titan-hiekka voitaisiin muodostaa yksinkertaisesti hydraamalla orgaanisia hiukkasia ilmakehässä, koska ne ovat paljon helpommin tarttua yhteen. Tämä voisi auttaa ymmärtämään Titanin hiekkadyynien toista mysteeriä. "
Lisäksi tällä tutkimuksella on vaikutuksia muiden elinten kuin Titan tutkimiseen. "Olemme löytäneet orgaanisia yhdisteitä monista muista aurinkokunnan elimistä, erityisesti ulkoisen aurinkokunnan jäisistä kappaleista, kuten Plutosta, Neptunuksen kuun Tritonista ja komeetasta 67P", sanoi Yu. ”Ja osa orgaanisista tuotteista on fotokemiallisesti valmistettu samalla tavalla kuin Titan. Ja löysimme tuulen puhaltamia piirteitä (joita kutsutaan aeolialaisiksi piirteiksi) myös näistä kehoista, joten tuloksia voimme soveltaa myös näihin planeettakehoihin. "
Tulevan vuosikymmenen aikana odotetaan useita tehtäviä tutkimaan ulkoisen aurinkokunnan kuut ja paljastamaan asiat heidän rikkaasta ympäristöstään, jotka voisivat auttaa valaisemaan elämän alkuperää täällä maapallolla. Lisäksi James Webbin avaruuskaukoputki (jonka odotetaan nyt otettavan käyttöön vuonna 2021) aikoo tutkia aurinkokunnan planeettoja edistyneellä instrumenttivalinnallaan toivoen ratkaistavan nämä palavat kysymykset.
