Credito d'immagine: ESA
Ci vogliono almeno tre elementi per ospitare la vita così come la conosciamo: acqua, energia e atmosfera. Tra Marte e le lune attorno a Giove e Saturno, ci sono prove di uno o due di questi tre elementi, ma si sa meno se è disponibile un set completo. Solo la luna di Saturno, Titano, ha un'atmosfera paragonabile a quella terrestre in pressione ed è molto più spessa di quella marziana (1% della pressione del livello del mare della Terra).
Il punto più interessante riguardo alle simulazioni della foschia idrocarburica di Titano è che questa componente nebulosa contiene molecole chiamate tholins (dalla parola greca, fangosa) che possono formare le basi dei mattoni della vita. Ad esempio, gli amminoacidi, uno dei mattoni della vita terrestre, si formano quando queste particelle rosso-marroni simili allo smog vengono poste nell'acqua. Come ha sottolineato Carl Sagan, Titano può essere considerato un ampio parallelo alla prima atmosfera terrestre rispetto alla sua chimica e, in questo modo, è certamente rilevante per le origini della vita.
Quest'estate, la navicella spaziale Cassini della NASA, lanciata nel 1997, è prevista in orbita attorno a Saturno e alle sue lune per quattro anni. All'inizio del 2005, la sonda Huygens che trasporta sulle spalle è programmata per immergersi nell'atmosfera nebulosa di Titano e atterrare sulla superficie della luna. Ci sono 12 strumenti a bordo dell'orbiter per veicoli spaziali Cassini e 6 strumenti a bordo della sonda Huygens. La sonda Huygens è principalmente orientata al campionamento dell'atmosfera. La sonda è equipaggiata per eseguire misurazioni e registrare immagini fino a mezz'ora in superficie. Ma la sonda non ha gambe, quindi quando si posa sulla superficie di Titano il suo orientamento sarà casuale. E il suo atterraggio potrebbe non essere effettuato da un sito contenente sostanze organiche. Le immagini di dove Cassini si trova nella sua orbita attuale vengono continuamente aggiornate e disponibili per essere visualizzate man mano che la missione avanza.
La rivista Astrobiology ha avuto l'opportunità di parlare con il ricercatore, Jean-Michel Bernard dell'Università di Parigi, su come simulare la complessa chimica di Titano in una provetta terrestre. Le sue simulazioni dell'ambiente di Titano si basano sulla classica zuppa prebiotica, introdotta per la prima volta cinquant'anni fa dai ricercatori dell'Università di Chicago, Harold Urey e Stanley Miller.
Astrobiology Magazine (AM): Cosa ha stimolato per primo il tuo interesse per la chimica dell'atmosfera di Titano?
Jean-Michel Bernard (JB): In che modo due semplici molecole (azoto e metano) creano una chimica molto complessa? La chimica diventa biochimica? Le recenti scoperte della vita in condizioni estreme sulla Terra (batteri nel Polo Sud a -40 ° C e archaea a più di +110 ° C in prossimità di fonti idrotermali) consentono di supporre che la vita potrebbe essere presente su altri mondi e altri condizioni.
Titano ha interesse astrobiologico perché è l'unico satellite del sistema solare con un'atmosfera densa. L'atmosfera di Titano è fatta di azoto e metano. Le particelle energetiche provenienti dal sole e dall'ambiente di Saturno consentono una chimica complessa, come la formazione di idrocarburi e nitrili. Le particelle generano anche una foschia permanente attorno al satellite, piogge di metano, venti, stagioni Recentemente, laghi di idrocarburi sembrano essere stati rilevati sulla superficie di Titano. Penso che questa scoperta, se confermata dalla missione Cassini-Huygens, sarà di grande interesse.
Farebbe di Titano un analogo della Terra, poiché avrebbe un'atmosfera (gas), laghi (liquido), foschia e suolo (solido), i tre ambienti necessari per l'apparizione della vita.
La composizione della foschia di Titano è sconosciuta. Sono disponibili solo dati ottici e sono difficili da analizzare a causa della complessità di questo materiale carbonioso. Sono stati condotti molti esperimenti per imitare la chimica dell'atmosfera di Titano, in particolare gli analoghi degli aerosol chiamati "tholins" dal gruppo di Carl Sagan. Sembra che i tholins possano essere coinvolti nell'origine della vita. In effetti, l'idrolisi di questi analoghi dell'aerosol di Titano dà origine alla formazione di aminoacidi, i precursori della vita.
AM: Puoi descrivere la tua simulazione sperimentale per estendere gli esperimenti di Miller-Urey in un modo personalizzato per le basse temperature e la chimica unica di Titano?
JB: Dagli esperimenti di Miller-Urey, sono state eseguite molte simulazioni sperimentali del presunto sistema prebiotico. Ma dopo il recupero dei dati di Voyager, è sembrato necessario tornare a questo approccio per simulare l'atmosfera di Titano. Quindi diversi scienziati hanno effettuato esperimenti di simulazione introducendo una miscela azoto-metano in un sistema come l'apparato di Miller. Ma un problema è diventato evidente a causa della differenza tra le condizioni sperimentali e le condizioni di Titano. La pressione e la temperatura non erano rappresentative dell'ambiente di Titano. Quindi abbiamo deciso di condurre esperimenti che riproducono la pressione e la temperatura della stratosfera di Titano: una miscela gassosa del 2% di metano in azoto, una bassa pressione (circa 1 mbar) e un sistema criogenico per avere una bassa temperatura. Inoltre, il nostro sistema è inserito in un vano portaoggetti contenente azoto puro per evitare la contaminazione da parte dell'aria ambiente dei prodotti solidi.
AM: Quale consideri la migliore fonte di energia per innescare la chimica sintetica di Titano: la magnetosfera delle particelle di Saturno, la radiazione solare o qualcos'altro?
JB: Gli scienziati discutono su quale fonte di energia simulerebbe meglio le fonti di energia nell'atmosfera di Titano. Radiazione ultravioletta (UV)? Raggi cosmici? Elettroni e altre particelle energetiche provenienti dalla magnetosfera di Saturno? Tutte queste fonti sono coinvolte, ma la loro presenza dipende dall'altitudine: radiazione ultravioletta estrema ed elettroni nella ionosfera, luce UV nella stratosfera, mentre i raggi cosmici si verificano nella troposfera.
Penso che la domanda appropriata dovrebbe essere: qual è l'obiettivo sperimentale? Se si vuole capire la chimica dell'idrogeno cianuro (HCN) nella stratosfera di Titano, è appropriata una simulazione con radiazione UV dell'HCN. Se l'obiettivo è determinare gli effetti dei campi elettrici generati dai raggi cosmici galattici nella troposfera, è preferibile una scarica a corona di un'atmosfera Titan simulata.
Nello studio delle condizioni stratosferiche di Titano, abbiamo scelto di utilizzare una scarica elettrica nella nostra simulazione. Questa scelta è contestata da una minoranza di scienziati perché la principale fonte di energia nella stratosfera di Titano è la radiazione UV. Ma i nostri risultati hanno convalidato il nostro esperimento. Abbiamo rilevato tutte le specie organiche osservate su Titano. Abbiamo previsto la presenza di CH3CN (acetonitrile) prima della sua osservazione. Abbiamo rilevato per la prima volta dicicanoacetilene, C4N2, una molecola instabile a temperatura ambiente che è stata rilevata anche nell'atmosfera di Titano. La firma a infrarossi medi dei prodotti solidi creati nel nostro esperimento era in linea con le osservazioni di Titano.
AM: In che modo i tuoi risultati fanno parte dei test atmosferici previsti per la sonda Cassini-Huygens?
JB: Dopo aver collaborato con un team dell'Osservatoire Astronomique di Bordeaux in Francia, abbiamo determinato le costanti dielettriche degli analoghi di aerosol. Questo ci consentirà di stimare come l'atmosfera e le proprietà superficiali di Titano possano influenzare le prestazioni degli esperimenti radar di Cassini-Huygens. L'altimetro a bordo della sonda Huygens potrebbe essere influenzato dalle proprietà dell'aerosol, ma è necessario eseguire esperimenti complementari per confermare questo risultato.
Due anni fa, abbiamo introdotto una miscela di gas, N2 / CH4 / CO (98 / 1.99 / 0.01). L'obiettivo era determinare l'impatto del monossido di carbonio, il composto ossigenato più abbondante su Titano. Sorprendentemente, abbiamo rilevato l'ossirano nella fase gassosa come il principale prodotto ossigenato. Questa molecola instabile è stata scoperta nel mezzo interstellare ma i modelli teorici non la prevedono per la chimica di Titano. Eppure forse questa molecola è presente su Titano.
Attualmente stiamo analizzando le prime molecole, radicali, atomi e ioni (o "specie") creati all'interno del nostro reattore sperimentale. Stiamo usando la spettrometria infrarossa e l'emissione UV-visibile per studiare specie eccitate come CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. Successivamente, osserveremo la correlazione tra l'abbondanza di queste specie e le strutture dei prodotti solidi. Associando questi risultati sperimentali a un modello teorico sviluppato in collaborazione con l'Università di Porto in Portogallo, avremo una migliore comprensione della chimica che si verifica nel reattore sperimentale. Questo ci permetterà di analizzare i dati di Cassini-Huygens e la formazione di foschia di Titano.
Il nostro team è coinvolto anche a livello di scienza della missione, poiché uno degli scienziati della missione è anche nel nostro gruppo al Laboratoire Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques, LISA). I nostri tholin da laboratorio saranno usati come guide per calibrare diversi strumenti sulla sonda Huygens e sull'orbita Cassini.
Ci sono 18 strumenti a bordo della sonda e orbiter. I test di calibrazione sono necessari per la gascromatografia e la spettroscopia di massa [GC-MS]. Il GC-MS identificherà e misurerà i prodotti chimici nell'atmosfera di Titano.
I test di calibrazione sono necessari anche per Aerosol Collector e Pyrolyser (ACP). Questo esperimento attirerà particelle di aerosol dall'atmosfera attraverso i filtri, quindi riscalderà i campioni intrappolati nei forni per vaporizzare i volatili e decomporre i complessi materiali organici.
Anche lo spettrometro infrarosso composito (CIRS), uno strumento di misurazione termica sull'orbita, deve essere calibrato. Rispetto alle precedenti missioni nello spazio profondo, lo spettrometro a bordo di Cassini-Huygens è un miglioramento significativo, con una risoluzione spettrale dieci volte superiore allo spettrometro del veicolo spaziale Voyager.
AM: Hai progetti futuri per questa ricerca?
JB: Il nostro prossimo passo è un esperimento sviluppato da Marie-Claire Gazeau, chiamato "SETUP". L'esperimento ha due parti: un plasma freddo per dissociare azoto e un reattore fotochimico per fotodissociare metano. Questo ci darà una migliore simulazione globale delle condizioni di Titano.
Fonte originale: NASA Astrobiology Magazine
