Panuje powszechna zgoda, że najlepszym miejscem do poszukiwania dowodów życia pozaziemskiego poza Ziemią jest Mars. Jednakże nie jest to w żadnym wypadku jedyne miejsce. Poza wieloma planetami pozasłonecznymi, które zostały określone jako "potencjalnie nadające się do zamieszkania", jest mnóstwo innych kandydatów tutaj, w naszym Układzie Słonecznym. Należy do nich wiele lodowych satelitów, które, jak się uważa, posiadają wewnętrzne oceany, które mogą być siedliskiem życia.
fot. Sonda Cassini NASA spogląda w kierunku nocnej strony największego
księżyca Saturna i widzi światło słoneczne rozpraszające się na
obrzeżach atmosfery Tytana i tworzące kolorowy pierścień. Credit:
NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute.
Wśród nich jest Tytan, największy księżyc Saturna, na którym zachodzą
różnego rodzaju procesy chemii organicznej pomiędzy atmosferą a
powierzchnią. Od pewnego czasu naukowcy podejrzewali, że badanie
atmosfery Tytana może dostarczyć istotnych wskazówek na temat wczesnych
etapów ewolucji życia na Ziemi. Dzięki nowym badaniom prowadzonym przez
giganta technologicznego IBM zespołowi naukowców udało się odtworzyć w
laboratorium warunki atmosferyczne panujące na Tytanie.
Ich badania zostały opisane w pracy zatytułowanej "Imaging Titan's
Organic Haze at Atomic Scale", która ukazała się w numerze czasopisma
"The Astrophysical Journal Letters" z 12 lutego. W skład zespołu
badawczego, kierowanego przez
dr Fabiana Schulza i dr Juliena Maillarda, wchodziło wielu
współpracowników z IBM Research-Zurich, Uniwersytetu Paris-Saclay,
Uniwersytetu Rouen w Mont-Saint-Aignan oraz Instytutu Fritza Habera
Towarzystwa Maxa Plancka.
Wiele z tego, co wiemy dziś o Tytanie, zawdzięczamy sondzie kosmicznej
Cassini, która krążyła wokół Saturna w latach 2004-2017 i zakończyła
swoją misję, zanurzając się w jego atmosferze. W tym czasie Cassini
przeprowadził wiele bezpośrednich pomiarów atmosfery Tytana, ujawniając
zaskakująco podobne do ziemskiego środowisko. W zasadzie Tytan jest
jedynym innym ciałem w Układzie Słonecznym, które posiada gęstą
atmosferę azotową i zachodzące w niej procesy organiczne.
Co jest szczególnie interesujące to fakt, że naukowcy uważają, że mniej
więcej 2,8 miliarda lat temu atmosfera Ziemi mogła być podobna. Zbiega
się to z epoką mezoarchaiku, okresem, w którym fotosyntetyzujące cyjanobakterie
stworzyły pierwsze systemy rafowe i powoli przekształcały atmosferyczny
dwutlenek węgla w tlen (ostatecznie doprowadzając do obecnej równowagi
azotu i tlenu).
Chociaż uważa się, że powierzchnia Tytana zawiera wskazówki, które mogą
poprawić nasze zrozumienie tego, jak powstało życie w naszym Układzie
Słonecznym, uzyskanie wyraźnego spojrzenia na tę powierzchnię było
problemem. Powodem tego jest atmosfera Tytana, która jest przesiąknięta
gęstą, fotochemiczną mgłą rozpraszającą światło. Jak wyjaśniają Leo
Gross i Nathalie Carrasco (współautorzy badania) w artykule
opublikowanym niedawno na blogu IBM Research Blog:
"Zamglenie Tytana składa się z nanocząsteczek wykonanych z szerokiej
gamy dużych i złożonych cząsteczek organicznych zawierających węgiel,
wodór i azot. Cząsteczki te tworzą się w kaskadzie reakcji chemicznych,
gdy promieniowanie (ultrafioletowe i kosmiczne) uderza w mieszankę
metanu, azotu i innych gazów w atmosferach takich jak atmosfera Tytana."
W rezultacie naukowcy wciąż nie wiedzą zbyt wiele na temat procesów,
które napędzają atmosferę Tytana, w tym dokładnej struktury chemicznej
dużych cząsteczek, które tworzą tę mgłę. Przez dziesięciolecia
astrochemicy prowadzili eksperymenty laboratoryjne z podobnymi
cząsteczkami organicznymi znanymi jako tholiny - termin ten pochodzi od greckiego słowa oznaczającego "błotnisty" (lub "mglisty").
Tholiny (współtwórcą tego określenia jest Carl Sagan) odnoszą się do
szerokiej gamy organicznych związków zawierających węgiel, które tworzą
się pod wpływem słonecznego promieniowania UV lub promieni kosmicznych.
Cząsteczki te są powszechne w zewnętrznym Układzie Słonecznym i
zazwyczaj występują w ciałach lodowych, gdzie warstwa powierzchniowa
zawiera lód metanowy, który jest wystawiony na działanie promieniowania.
Na ich obecność wskazują powierzchnie, które mają rumiany wygląd, lub
jakby miały plamy w kolorze sepii.
Na potrzeby swoich badań, zespół pod kierownictwem Schulza i Maillarda
przeprowadził eksperyment, w którym obserwował tholiny w różnych
stadiach formowania w środowisku laboratoryjnym. Jak wyjaśnili Gross i
Carrasco:
"Zalaliśmy naczynie ze stali nierdzewnej mieszaniną metanu i azotu, a
następnie wywołaliśmy reakcje chemiczne poprzez wyładowanie elektryczne,
naśladując w ten sposób warunki panujące w atmosferze Tytana. Następnie
w naszym laboratorium w Zurychu przeanalizowaliśmy ponad 100 powstałych
w ten sposób cząsteczek składających się na tholiny Tytana, uzyskując
obrazy o rozdzielczości atomowej około tuzina z nich, za pomocą naszego
domowej konstrukcji niskotemperaturowego mikroskopu sił atomowych."
Rozdzielczość cząsteczek o różnych rozmiarach pozwoliła zespołowi zaobserwować różne etapy ich rozwoju,
a także ich skład chemiczny. Dzięki temu udało się zaobserwować kluczowy
składnik atmosfery Tytana, który formował się i gromadził, tworząc
słynny efekt zamglenia. Powiedział Conor A. Nixon, badacz z Goddard
Space Flight Center NASA (który nie był związany z badaniami):
"Ten artykuł pokazuje przełomowe nowe prace w zakresie wykorzystania
mikroskopii w skali atomowej do badania struktur złożonych,
wielopierścieniowych cząsteczek organicznych. Typowa analiza związków
wytworzonych w laboratorium przy użyciu technik takich jak spektroskopia masowa ujawnia względne proporcje różnych pierwiastków, ale nie wiązania chemiczne i strukturę".
"Po raz pierwszy widzimy molekularną architekturę syntetycznych związków
podobnych do tych, które uważane są za przyczynę pomarańczowej mgiełki w
atmosferze Tytana. Ta aplikacja zapewnia teraz nowe, ekscytujące
narzędzie do analizy próbek materiałów astrobiologicznych, w tym
meteorytów i próbek zwróconych z ciał planetarnych."
Co więcej, wyniki ich badań mogą również rzucić światło na tajemniczy
cykl hydrologiczny Tytana oparty na metanie. Na Ziemi cykl ten polega na
przechodzeniu wody ze stanu gazowego (para wodna) do stanu ciekłego
(deszcz i wody powierzchniowe). Na Tytanie ten sam cykl zachodzi w
przypadku metanu, który przechodzi z atmosferycznego gazu metanowego i
spada w postaci deszczu metanowego, tworząc słynne jeziora węglowodorowe
na Tytanie.
W tym przypadku wyniki badań zespołu naukowców mogą ujawnić, jaką rolę
odgrywa zamglenie chemiczne w cyklu metanowym Tytana, w tym czy te
nanocząsteczki mogą unosić się na jeziorach metanu. Ponadto, wyniki te
mogą ujawnić, czy podobne aerozole atmosferyczne pomogły powstać życiu
na Ziemi miliardy lat temu.
"Wiadomo, że struktury molekularne, które teraz zobrazowaliśmy, są
dobrymi absorberami światła ultrafioletowego" - opisują Gross i
Carrasco. "To z kolei oznacza, że zamglenie mogło działać jak tarcza
chroniąca cząsteczki DNA na powierzchni wczesnej Ziemi przed szkodliwym
promieniowaniem".
Jeśli teoria ta jest słuszna, wyniki badań zespołu naukowców nie tylko
pomogą naukowcom zrozumieć warunki, w jakich powstało życie na Ziemi,
ale także mogą wskazywać na możliwość istnienia życia na Tytanie.
Tajemnicza natura tego satelity jest czymś, co naukowcy po raz pierwszy
uświadomili sobie na początku lat 80., kiedy sondy kosmiczne Voyager 1 i
2 przeleciały przez system Saturna. Od tego czasu naukowcy połączyli
swoje siły.
W latach 2030. NASA planuje wysłać na Tytana zrobotyzowany wiropłat o nazwie Dragonfly
w celu zbadania jego powierzchni i atmosfery oraz poszukiwania
ewentualnych oznak życia. Jak zawsze, prace teoretyczne i eksperymenty
laboratoryjne przeprowadzone w międzyczasie pozwolą naukowcom zawęzić
obszar zainteresowania i zwiększyć szanse na to, że misja (gdy już
przybędzie) znajdzie to, czego szuka.
Na zdjęciu: Eksperyment PAMPRE, w którym symulowana jest atmosfera Tytana. Credit: Nathalie Carrasco
Źródło: universetoday.com
