Hoewel de Cassini orbiter beëindigde zijn missie op 15 september 2017, de gegevens die het verzamelde over Saturnus en zijn grootste maan, Titan, blijven verbazen en verbazen. Tijdens de dertien jaar dat het Saturnus in een baan om de maan bracht en flybys van zijn manen uitvoerde, verzamelde de sonde een schat aan gegevens over de atmosfeer, het oppervlak, de methaanmeren en de rijke organische omgeving van Titan waar wetenschappers zich steeds over buigen.
Zo is er de kwestie van de mysterieuze "zandduinen" op Titan, die organisch van aard lijken te zijn en waarvan de structuur en oorsprong blijven bestaan, is een mysterie gebleven. Om deze mysteries aan te pakken, hebben een team van wetenschappers van de John Hopkins University (JHU) en het onderzoeksbedrijf Nanomechanics onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de duinen van Titan en geconcludeerd dat ze zich waarschijnlijk hebben gevormd in de equatoriale regio's van Titan.
Hun studie, "Where does Titan Sand From From: Insight from Mechanical Properties of Titan Sand Candidates", verscheen onlangs online en is ingediend bij de Journal of Geophysical Research: Planets. De studie werd geleid door Xinting Yu, een afgestudeerde student van de afdeling Aard- en Planeetwetenschappen (EPS) van de JHU, en omvatte EPS-assistenten Sarah Horst (Yu's adviseur) Chao He en Patricia McGuiggan, met steun van Bryan Crawford van Nanomechanics Inc.
Om het af te breken, werden de zandduinen van Titan oorspronkelijk opgemerkt door Cassini's radarinstrumenten in het Shangri-La-gebied nabij de evenaar. De afbeeldingen die de sonde had verkregen, vertoonden lange, lineaire donkere strepen die leken op door de wind geveegde duinen, vergelijkbaar met die op aarde. Sinds hun ontdekking hebben wetenschappers theoretiseerd dat ze bestaan uit korrels koolwaterstoffen die zich vanuit de atmosfeer van Titan op het oppervlak hebben afgezet.
In het verleden vermoedden wetenschappers dat ze zich in de noordelijke regio's rond de methaanmeren van Titan vormen en door de maanwinden naar het equatoriale gebied worden gedistribueerd. Maar waar deze korrels eigenlijk vandaan kwamen en hoe ze in deze duinachtige formaties werden verspreid, is een mysterie gebleven. Maar zoals Yu via e-mail aan Space Magazine uitlegde, is dat slechts een deel van wat deze duinen mysterieus maakt:
“Ten eerste verwachtte niemand vóór de Cassini-Huygens-missie zandduinen op Titan, omdat de wereldwijde circulatiemodellen voorspelden dat de windsnelheden op Titan te zwak zijn om de materialen te blazen om duinen te vormen. Door Cassini zagen we echter uitgestrekte lineaire duinvelden die bijna 30% van de equatoriale regio's van Titan beslaan!
“Ten tweede weten we niet hoe Titan-zand wordt gevormd. Duinmaterialen op Titan zijn totaal anders dan die op aarde. Op aarde zijn duinmaterialen voornamelijk silicaatzandfragmenten die zijn verweerd door silicaatgesteenten. Op Titan zijn duinmaterialen complexe organische stoffen die door fotochemie in de atmosfeer worden gevormd en op de grond vallen. Studies tonen aan dat de duindeeltjes behoorlijk groot zijn (minstens 100 micron), terwijl de door fotochemie gevormde organische deeltjes nog vrij klein zijn aan de oppervlakte (slechts ongeveer 1 micron). We weten dus niet zeker hoe de kleine organische deeltjes worden omgezet in de grote zandduindeeltjes (je hebt een miljoen kleine organische deeltjes nodig om één enkel zanddeeltje te vormen!)
"Ten derde weten we ook niet waar de organische deeltjes in de atmosfeer worden verwerkt om groter te worden om de duindeeltjes te vormen. Sommige wetenschappers denken dat deze deeltjes overal kunnen worden verwerkt om de duindeeltjes te vormen, terwijl sommige andere onderzoekers van mening zijn dat hun formatie betrokken moet zijn bij de vloeistoffen van Titan (methaan en ethaan), die zich momenteel alleen in de poolgebieden bevinden. "
Om hier licht op te werpen, voerden Yu en haar collega's een reeks experimenten uit om te simuleren dat materialen worden getransporteerd op zowel terrestrische als ijzige lichamen. Deze bestond uit het gebruik van verschillende natuurlijke aardzanden, zoals silicaatstrandzand, carbonaatzand en wit gyspumzand. Om de soorten materialen die op Titan worden gevonden te simuleren, gebruikten ze in het laboratorium geproduceerde tholins, dat zijn methaanmoleculen die zijn blootgesteld aan UV-straling.
De productie van tholines werd specifiek uitgevoerd om de soorten organische aerosolen en fotochemische condities die veel voorkomen op Titan na te bootsen. Dit werd gedaan met behulp van het Planetary HAZE Research (PHAZER) experimentele systeem aan de Johns Hopkins University - waarvoor de hoofdonderzoeker Sarah Horst is. De laatste stap bestond uit het gebruik van een nano-identificatietechniek (onder toezicht van Bryan Crawford van Nanometrics Inc.) om de mechanische eigenschappen van het gesimuleerde zand en tholines te bestuderen.
Dit bestond uit het plaatsen van de zandsimulanten en tholines in een windtunnel om hun mobiliteit te bepalen en te kijken of ze in dezelfde patronen konden worden verdeeld. Zoals Yu uitlegde:
'De motivatie achter de studie is om te proberen het derde mysterie te beantwoorden. Als de duinmaterialen worden verwerkt door vloeistoffen die zich in de poolgebieden van Titan bevinden, moeten ze sterk genoeg zijn om van de palen naar de equatoriale regio's van Titan te worden getransporteerd, waar de meeste duinen zich bevinden. De tholines die we in het laboratorium produceerden, zijn echter in extreem lage hoeveelheden: de dikte van de tholinefilm die we produceerden is slechts ongeveer 1 micron, ongeveer 1 / 10-1 / 100 van de dikte van mensenhaar. Om hiermee om te gaan, hebben we een zeer intrigerende en nauwkeurige nanoschaaltechniek genaamd nanoindentatie gebruikt om de metingen uit te voeren. Ook al zijn de geproduceerde inkepingen en scheuren allemaal in nanometerschalen, we kunnen nog steeds nauwkeurig mechanische eigenschappen bepalen, zoals Young's modulus (indicator van stijfheid), nano-indentatiehardheid (hardheid) en breuktaaiheid (indicator van brosheid) van de dunne film. "
Uiteindelijk heeft het team vastgesteld dat de organische moleculen die op Titan worden gevonden, veel zachter en brozer zijn in vergelijking met zelfs het zachtste zand op aarde. Simpel gezegd, de tholins die ze produceerden, leken niet de kracht te hebben om de immense afstand te overbruggen die tussen de noordelijke methaanmeren van Titan en de evenaar ligt. Hieruit concludeerden ze dat het organische zand op Titan waarschijnlijk wordt gevormd in de buurt van waar ze zich bevinden.
"En hun vorming mag geen vloeistoffen op Titan omvatten, omdat dat een enorme transportafstand van meer dan 2000 kilometer van de Titan-polen naar de evenaar vereist," voegde Yu eraan toe. 'De zachte en broze organische deeltjes zouden tot stof worden vermalen voordat ze de evenaar bereiken. Onze studie gebruikte een geheel andere methode en versterkte enkele resultaten die werden afgeleid uit Cassini-waarnemingen. ”
Uiteindelijk vormt deze studie een nieuwe richting voor onderzoekers als het gaat om de studie van Titan en andere lichamen in het zonnestelsel. Zoals Yu uitlegde, waren onderzoekers in het verleden meestal beperkt Cassini gegevens en modellen om vragen over de zandduinen van Titan te beantwoorden. Yu en haar collega's konden echter laboratoriumanalogen gebruiken om deze vragen te beantwoorden, ondanks het feit dat de Cassini missie is nu ten einde.
Bovendien zal deze meest recente studie ongetwijfeld van grote waarde zijn, aangezien wetenschappers blijven nadenken Cassini's gegevens in afwachting van toekomstige missies naar Titan. Deze missies zijn bedoeld om de zandduinen van Titan, methaanmeren en rijke organische chemie in meer detail te bestuderen. Zoals Yu uitlegde:
"[Onze] resultaten kunnen niet alleen helpen de oorsprong van Titans duinen en zand te begrijpen, maar het zal ook cruciale informatie opleveren voor potentiële toekomstige landingsmissies op Titan, zoals Dragonfly (een van de twee finalisten (van de twaalf voorstellen) geselecteerd voor verdere conceptontwikkeling door NASA's New Frontiers-programma). De materiaaleigenschappen van de organische stoffen op Titan kunnen verbazingwekkende aanwijzingen geven om enkele mysteries op Titan op te lossen.
“In een studie die we vorig jaar publiceerden in JGR-planeten (2017, 122, 2610-2622), ontdekten we dat de interdeeltjeskrachten tussen tholinedeeltjes veel groter zijn dan gewoon zand op aarde, wat betekent dat de organische stoffen op Titan veel meer zijn cohesief (of plakkeriger) dan silicaatzanden op aarde. Dit impliceert dat we een grotere windsnelheid nodig hebben om de zanddeeltjes op Titan te blazen, wat de modelonderzoekers zou kunnen helpen om het eerste mysterie te beantwoorden. Het suggereert ook dat Titan-zand kan worden gevormd door eenvoudige coagulatie van organische deeltjes in de atmosfeer, omdat ze veel gemakkelijker aan elkaar te plakken zijn. Dit kan het tweede mysterie van de zandduinen van Titan helpen begrijpen. "
Bovendien heeft deze studie implicaties voor de studie van andere lichamen dan Titan. "We hebben organische stoffen gevonden op veel andere lichamen van het zonnestelsel, vooral ijzige lichamen in het buitenste zonnestelsel, zoals Pluto, de maan Triton van Neptunus en komeet 67P," zei Yu. 'En sommige organische stoffen worden fotochemisch geproduceerd op dezelfde manier als Titan. En we vonden ook windgeblazen kenmerken (eolische kenmerken genoemd) op die lichamen, dus onze resultaten zouden ook op deze planetaire lichamen kunnen worden toegepast. ”
In het komende decennium wordt van meerdere missies verwacht dat ze de manen van het buitenste zonnestelsel verkennen en dingen onthullen over hun rijke omgevingen die licht kunnen werpen op de oorsprong van het leven hier op aarde. tevens de James Webb Space Telescope (die nu naar verwachting in 2021 zal worden ingezet) zal ook zijn geavanceerde reeks instrumenten gebruiken om de planeten van het zonnestelsel te bestuderen in de hoop deze brandende vragen aan te pakken.
