Anche se il Cassini orbiter ha terminato la sua missione il 15 settembre 2017, i dati raccolti su Saturno e la sua luna più grande, Titano, continuano a stupire e stupire. Durante i tredici anni trascorsi orbitando intorno a Saturno e conducendo i voli delle sue lune, la sonda ha raccolto una vasta gamma di dati sull'atmosfera, la superficie, i laghi di metano e il ricco ambiente organico di Titano che gli scienziati continuano a occuparsi.
Ad esempio, c'è la questione delle misteriose "dune di sabbia" su Titano, che sembrano essere organiche in natura e le cui strutture e origini rimangono sono rimaste un mistero. Per affrontare questi misteri, un team di scienziati della John Hopkins University (JHU) e la società di ricerca Nanomechanics hanno recentemente condotto uno studio sulle dune di Titano e hanno concluso che probabilmente si sono formati nelle regioni equatoriali di Titano.
Il loro studio, "Da dove viene Titan Sand: Insight from Mechanical Properties of Titan Sand Candidates", è recentemente apparso online ed è stato presentato al Journal of Geophysical Research: Planets. Lo studio è stato condotto da Xinting Yu, uno studente laureato presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dei pianeti (EPS) presso la JHU, e ha incluso i professori assistenti EPS Sarah Horst (consulente di Yu) Chao He e Patricia McGuiggan, con il sostegno di Bryan Crawford di Nanomechanics Inc.
Per abbatterlo, le dune di sabbia di Titano furono originariamente individuate da Cassini strumenti radar nella regione di Shangri-La vicino all'equatore. Le immagini ottenute dalla sonda hanno mostrato lunghe strisce lineari scure che sembravano dune spazzate dal vento simili a quelle trovate sulla Terra. Dalla loro scoperta, gli scienziati hanno teorizzato che sono composti da granuli di idrocarburi che si sono depositati sulla superficie dall'atmosfera di Titano.
In passato, gli scienziati hanno ipotizzato che si formino nelle regioni settentrionali intorno ai laghi di metano di Titano e che siano distribuiti nella regione equatoriale dai venti della luna. Ma da dove provengono effettivamente questi grani e come sono stati distribuiti in queste formazioni simili a dune, è rimasto un mistero. Tuttavia, come ha spiegato Yu allo Space Magazine via e-mail, questa è solo una parte di ciò che rende misteriose queste dune:
“In primo luogo, nessuno si aspettava di vedere dune di sabbia su Titano prima della missione Cassini-Huygens, perché i modelli di circolazione globale prevedevano che le velocità del vento su Titano fossero troppo deboli per soffiare i materiali per formare dune. Tuttavia, attraverso Cassini abbiamo visto vasti campi di dune lineari che coprono quasi il 30% delle regioni equatoriali di Titano!
“In secondo luogo, non siamo sicuri di come si formino le sabbie di Titano. I materiali delle dune su Titano sono completamente diversi da quelli sulla Terra. Sulla Terra, i materiali delle dune sono principalmente frammenti di sabbia di silicato stagionati dalle rocce di silicato. Mentre su Titano, i materiali delle dune sono organici complessi formati dalla fotochimica nell'atmosfera, che cadono a terra. Gli studi dimostrano che le particelle di duna sono piuttosto grandi (almeno 100 micron), mentre la fotochimica formata particelle organiche sono ancora piuttosto piccole vicino alla superficie (solo circa 1 micron). Quindi non siamo sicuri di come le piccole particelle organiche si trasformino in grandi particelle di dune di sabbia (hai bisogno di un milione di piccole particelle organiche per formare una singola particella di sabbia!)
"In terzo luogo, non sappiamo nemmeno dove le particelle organiche nell'atmosfera vengono elaborate per diventare più grandi per formare le particelle di duna. Alcuni scienziati ritengono che queste particelle possano essere processate ovunque per formare le particelle di duna, mentre altri ricercatori ritengono che la loro formazione debba essere coinvolta con i liquidi di Titano (metano ed etano), che attualmente si trovano solo nelle regioni polari ".
Per far luce su questo, Yu e i suoi colleghi hanno condotto una serie di esperimenti per simulare materiali trasportati su corpi terrestri e ghiacciati. Ciò consisteva nell'utilizzare diverse sabbie naturali della Terra, come sabbia silicea da spiaggia, sabbia carbonatica e sabbia bianca di gesso. Per simulare i tipi di materiali trovati su Titano, hanno usato tholins prodotti in laboratorio, che sono molecole di metano che sono state sottoposte alle radiazioni UV.
La produzione di tholins è stata specificamente condotta per ricreare i tipi di aerosol organici e le condizioni fotochimiche comuni a Titano. Ciò è stato fatto utilizzando il sistema sperimentale Planetary HAZE Research (PHAZER) presso la Johns Hopkins University - per il quale il ricercatore principale è Sarah Horst. L'ultimo passo è consistito nell'utilizzare una tecnica di nanoidentificazione (supervisionata da Bryan Crawford di Nanometrics Inc.) per studiare le proprietà meccaniche delle sabbie e dei tholins simulati.
Ciò consisteva nel posizionare i simulanti di sabbia e i tholin in una galleria del vento per determinare la loro mobilità e vedere se potevano essere distribuiti negli stessi schemi. Come ha spiegato Yu:
“La motivazione alla base dello studio è cercare di rispondere al terzo mistero. Se i materiali delle dune vengono processati attraverso liquidi, che si trovano nelle regioni polari di Titano, devono essere abbastanza forti da essere trasportati dai poli alle regioni equatoriali di Titano, dove si trovano la maggior parte delle dune. Tuttavia, i tholin che abbiamo prodotto in laboratorio sono in quantità estremamente basse: lo spessore del film di tholin che abbiamo prodotto è solo di circa 1 micron, circa 1 / 10-1 / 100 dello spessore dei capelli umani. Per far fronte a questo, abbiamo usato una tecnica su scala nanometrica molto intrigante e precisa chiamata nanoindentazione per eseguire le misurazioni. Anche se i rientri e le crepe prodotti sono tutti in scala nanometrica, possiamo ancora determinare con precisione proprietà meccaniche come il modulo di Young (indicatore di rigidità), durezza di nanoindentazione (durezza) e tenacità alla frattura (indicatore di fragilità) del film sottile. "
Alla fine, il team ha stabilito che le molecole organiche trovate su Titano sono molto più morbide e più fragili rispetto anche alle sabbie più morbide sulla Terra. In parole povere, i tholin che producevano non sembravano avere la forza di percorrere l'immensa distanza che si trova tra i laghi di metano a nord di Titano e la regione equatoriale. Da ciò, hanno concluso che le sabbie organiche su Titano sono probabilmente formate vicino a dove si trovano.
"E la loro formazione potrebbe non coinvolgere liquidi su Titano, poiché ciò richiederebbe un'enorme distanza di trasporto di oltre 2000 chilometri dai poli del Titano all'equatore", ha aggiunto Yu. “Le particelle organiche morbide e fragili verrebbero macinate in polvere prima che raggiungano l'equatore. Il nostro studio ha utilizzato un metodo completamente diverso e ha rafforzato alcuni dei risultati desunti dalle osservazioni di Cassini. ”
Alla fine, questo studio rappresenta una nuova direzione per i ricercatori quando si tratta dello studio di Titano e di altri corpi nel Sistema Solare. Come ha spiegato Yu, in passato i ricercatori erano per lo più costretti Cassini dati e modellistica per rispondere alle domande sulle dune di sabbia di Titano. Tuttavia, Yu e i suoi colleghi sono stati in grado di utilizzare analoghi prodotti in laboratorio per rispondere a queste domande, nonostante il fatto che Cassini la missione è ora terminata.
Inoltre, questo studio più recente avrà sicuramente un valore immenso mentre gli scienziati continuano a occuparsene Cassini dati in previsione di future missioni su Titano. Queste missioni mirano a studiare le dune di sabbia di Titano, i laghi di metano e la ricca chimica organica in modo più dettagliato. Come ha spiegato Yu:
"[I] nostri risultati non solo possono aiutare a comprendere l'origine delle dune e delle sabbie di Titano, ma forniranno anche informazioni cruciali per potenziali future missioni di sbarco su Titano, come Dragonfly (uno dei due finalisti (su dodici proposte) selezionato per ulteriore sviluppo del concetto da parte del programma New Frontiers della NASA). Le proprietà materiali degli organici su Titano possono effettivamente fornire indizi sorprendenti per risolvere alcuni dei misteri di Titano.
“In uno studio pubblicato l'anno scorso sui pianeti JGR (2017, 122, 2610–2622), abbiamo scoperto che le forze interparticulari tra le particelle di tholin sono molto più grandi della sabbia comune sulla Terra, il che significa che gli organici su Titano sono molto più coesivo (o più appiccicoso) delle sabbie silicate sulla Terra. Ciò implica che abbiamo bisogno di una maggiore velocità del vento per soffiare le particelle di sabbia su Titano, il che potrebbe aiutare i ricercatori di modelle a rispondere al primo mistero. Suggerisce anche che le sabbie di Titano potrebbero essere formate dalla semplice coagulazione di particelle organiche nell'atmosfera, poiché sono molto più facili da incollare. Questo potrebbe aiutare a capire il secondo mistero delle dune di sabbia di Titano ".
Inoltre, questo studio ha implicazioni per lo studio di corpi diversi da Titano. "Abbiamo trovato sostanze organiche su molti altri corpi del sistema solare, in particolare corpi ghiacciati nel sistema solare esterno, come Plutone, il Tritone della luna di Nettuno e la cometa 67P", ha detto Yu. “E alcuni dei prodotti organici sono prodotti fotochimicamente in modo simile a Titano. E abbiamo trovato caratteristiche soffiate dal vento (chiamate caratteristiche eolie) anche su quei corpi, quindi i nostri risultati potrebbero essere applicati anche a questi corpi planetari ”.
Nel prossimo decennio, ci si aspetta che più missioni esplorino le lune del Sistema Solare esterno e rivelino cose sui loro ricchi ambienti che potrebbero aiutare a far luce sulle origini della vita qui sulla Terra. Inoltre, il James Webb Space Telescope (ora previsto per essere dispiegato nel 2021) utilizzerà anche la sua avanzata attrezzatura per studiare i pianeti del Sistema Solare nella speranza di affrontare queste domande ardenti.
