Zagadka wydm na Tytanie, księżycu Saturna

0
Ten prawdziwy kolorowy obraz Tytana, zrobiony przez sondę Cassini, pokazuje gęstą, mglistą atmosferę księżyca. Źródło: NASA

Tytan, największy księżyc Saturna, jest jednym z najciekawszych ciał w Układzie Słonecznym. Jako jedyny księżyc posiada gęstą atmosferę, w której zachodzą skomplikowane zjawiska pogodowe. Jest to również jedyne ciało poza Ziemią, na powierzchni którego odkryto powierzchniowe zbiorniki cieczy – jeziora. Nie wypełnia ich jednak woda, ale ciekły metan, który na Ziemi występuje w postaci palnego gazu. Tytan jest również bogaty w związki organiczne. Badanie Tytana zawdzięczamy głównie sondzie Cassini-Huygens.

Mimo że sonda Cassini zakończyła swoją misję 15 września 2017 r., dane zgromadzone na Saturnie i jego największym księżycu, Tytanie, nadal zdumiewają. W ciągu trzynastu lat spędzonych na orbicie Saturna i przeprowadzaniu przelotów w pobliżu jego księżyców, sonda zgromadziła mnóstwo danych na temat atmosfery Tytana, jego powierzchni, jezior metanu i bogatego środowiska organicznego, które naukowcy nadal zgłębiają.

Jedną z ciekawszych zagadek jest kwestia tajemniczych wydm na Tytanie, które wydają się być zrobione z materiału organicznego, ale ich struktura i pochodzenie pozostały tajemnicą. Aby rozwiązać tą zagadkę, zespół naukowców z John Hopkins University (JHU) i firma badawcza Nanomechanics przeprowadzili ostatnio badania wydm Tytana i stwierdzili, że prawdopodobnie powstały w regionach równikowych księżyca. Skąd takie wnioski i jak wydmy zostały uformowane?

Wydmy Tytana zostały dostrzeżone przez radary Cassini w regionie Shangri-La w pobliżu równika. Obrazy uzyskane przez sondę wykazały długie, liniowe, ciemne smugi, które wyglądały jak zamiecione wiatrem wydmy, podobne do tych znalezionych na Ziemi. Od czasu ich odkrycia naukowcy przekonali się, że składają się one z ziaren węglowodorów, które osiadły na powierzchnię z atmosfery Tytana.

Wydmy na Tytanie widziane w radaru Cassini (góra), które są podobne do namibijskich wydm na Ziemi. Rzeźby terenu, które wyglądają jak chmury na górnym obrazie, są w rzeczywistości cechami topograficznymi. Źródło: NASA

W przeszłości naukowcy przypuszczali, że wydmy tworzą się w północnych regionach wokół jezior metanu Tytana i są rozprowadzane do regionu równikowego przez wiatry księżyca. Ale skąd te ziarna rzeczywiście pochodziły i jak zostały rozprowadzone w formacje przypominające wydmy, pozostało to tajemnicą.

To jednak nie wszystko. Jak wyjaśnia Xinting Yu, absolwentka Wydziału Nauk o Ziemi i Planetarnym (EPS) w John Hopkins University:

  • „Po pierwsze, nikt nie spodziewał się zobaczyć żadnych wydm na Tytanie przed misją Cassini-Huygens, ponieważ globalne modele cyrkulacji przewidywały, że prędkości wiatru na Tytanie są zbyt słabe, by wysadzić materiały w celu uformowania wydm. Jednak oczami Cassini widzieliśmy ogromne liniowe pola wydmowe, które pokrywają prawie 30% obszarów równikowych Tytana.”
  • „Po drugie, nie jesteśmy pewni, jak powstają piaski Tytana. Materiały na Tytanie są zupełnie inne od tych na Ziemi. Na Ziemi materiały wydmowe to głównie fragmenty piasku zwietrzałych skał krzemianowych. Podczas pobytu na Tytanie materiały wydmowe są złożonymi związkami organicznymi, które powstają w wyniku reakcji fotochemicznej w atmosferze, spadając na powierzchnię. Badania pokazują, że cząsteczki wydmy są dość duże (co najmniej 100 mikronów), podczas gdy fotochemia uformowała cząstki organiczne, które wciąż są dość małe blisko powierzchni (tylko około 1 mikrona). Nie wiemy więc, w jaki sposób małe cząstki organiczne są przekształcane w wielkie wydmy piaskowe (potrzeba milion drobnych cząstek organicznych, aby utworzyć jedną pojedynczą cząsteczkę piasku).”
  • „Po trzecie, nie wiemy także, gdzie formują się cząstki organiczne w atmosferze, aby powiększyć się, tworząc cząsteczki wydmy. Niektórzy naukowcy sądzą, że te cząstki mogą powstawać wszędzie, podczas gdy inni uważają, że ich tworzenie wymaga zaangażowania cieczy Tytana (metan i etan), które obecnie znajdują się tylko w regionach polarnych.”

Naukowcy z John Hopkins University przeprowadzili serię eksperymentów symulujących transport materiałów zarówno na ciałach lądowych, jak i lodowych. Aby symulować rodzaje materiałów znalezionych na Tytanie, użyli produkowanych laboratoryjnie tolin, cząsteczek metanu, które zostały poddane promieniowaniu UV. Do porównania wykorzystano kilka naturalnych piasków Ziemi, takich jak piasek krzemianowy, piasek węglanowy i biały piasek gipsowy.

Produkcja tolin została specjalnie przeprowadzona w celu odtworzenia warunków fotochemicznych, które są powszechne na Tytanie. Cząsteczki zostały umieszczone w tunelu aerodynamicznym w celu określenia ich mobilności i sprawdzenia, czy można je rozmieścić w tych samych wzorach.

Jeśli materiały wydmowe są przetwarzane przez ciecze, które znajdują się w polarnych rejonach Tytana, muszą być wystarczająco mocne, aby mogły być przetransportowane z biegunów w regiony równikowe Tytana, gdzie znajduje się większość wydm. Jednak toliny wyprodukowane w laboratorium są bardzo małe, ich grubość wynosi tylko około 1 mikrona (około 1/10-1/100 grubości ludzkiego włosa). Zespół był w stanie dokładnie określić ich właściwości mechaniczne, takie jak wskaźnik sztywności, kruchości i twardość materiału.

Radarowy obraz wydmy na Tytanie. Źródło: NASA / JPL-Caltech / ASI / ESA i USGS / ESA

Naukowcy ustalili, że cząsteczki organiczne znalezione na Tytanie są znacznie bardziej miękkie i kruche w porównaniu z nawet najdelikatniejszymi piaskami na Ziemi. Mówiąc najprościej, produkowane przez nich cząsteczki nie wydawały się mieć „siły” na pokonanie ogromnej odległości między północnymi jeziorami metanu i regionem równikowym. Wygląda więc na to, że piaski organiczne na Tytanie powstają prawdopodobnie w pobliżu ich lokalizacji. Ich formowanie nie może obejmować cieczy Tytana, ponieważ wymagałoby to ogromnej odległości transportowej – ponad 2000 kilometrów od biegunów Tytana do równika. Miękkie i kruche cząstki organiczne zostałyby zmielone na pył, zanim dotarłyby do równika.

Ostatecznie analiza może stanowić nowy kierunek dla badań Tytana i innych ciał Układu Słonecznego. W przeszłości badacze byli w większości ograniczeni danymi i modelowaniem Cassini, próbując znaleźć odpowiedzi na pytania dotyczące wydm Tytana. Jednak Yu i jej współpracownicy byli w stanie wykorzystać analogi wyprodukowane w laboratoriach, aby rozwiązać zagadkę Tytana, mimo że misja Cassini dobiegła końca.

„Wyniki mogą nie tylko pomóc w zrozumieniu pochodzenia wydm i piasków Tytana, ale także dostarczyć istotnych informacji o potencjalnych przyszłych misjach lądowania na Tytanie, takich jak Dragonfly (jeden z dwóch finalistów (spośród 12 propozycji) wybranych do dalszego rozwoju w programie NASA New Frontiers).”

– tłumaczy Xinting Yu.

Artystyczna koncepcja rozmieszczenia wiropłata Dragonfly na Tytanie i rozpoczęcia jego misji eksploracyjnej. Źródło: APL / Michael Carroll

Celem misji Dragonfly byłoby stworzenie wiropłata zdolnego do przemieszczania się w atmosferze Tytana. Dragonfly byłby zdolny do wykonywania pomiarów w różnych miejscach powierzchni księżyca, odległych od siebie o dziesiątki kilometrów – jest to więcej niż zasięg większości dotychczasowych misji lądowników i łazików.

Siły między cząstkami tolinu są znacznie większe niż zwykłego piasku na Ziemi, co oznacza, że ​​substancje organiczne na Tytanie są o wiele bardziej spójne (lub lepkie) niż piaski krzemianowe na Ziemi. Potrzebujemy zatem większej prędkości wiatru, aby wywiewać cząsteczki piasku na Tytanie. Sugeruje to również, że piaski tytanu mogą powstawać poprzez zwykłą koagulację (łączenie) cząstek organicznych w atmosferze, ponieważ znacznie łatwiej je sklejać.

Xinting Yu podsumowuje:

„Najnowsze badanie może mieć wpływ na badanie ciał innych niż Tytan. Cząsteczki organiczne zostały znalezione na wielu innych ciałach Układu Słonecznego, M.IN. na lodowych ciałach w zewnętrznym Układzie Słonecznym, takich jak Pluton, księżyc Neptuna Tryton i kometa 67P. Niektóre substancje organiczne są wytwarzane fotochemicznie podobnie jak w przypadku Tytana. Odkryliśmy też na tych ciałach cechy wiatrowe, więc nasze wyniki można zastosować również do tych ciał planetarnych.”

Źródło: Universe Today