Afbeelding tegoed: ESA
Er zijn minstens drie elementen nodig om het leven zoals we het kennen te herbergen: water, energie en een atmosfeer. Bij Mars en de manen rond zowel Jupiter als Saturnus is er bewijs voor een of twee van deze drie elementen, maar er is minder bekend als er een complete set beschikbaar is. Alleen de maan van Saturnus, Titan, heeft een atmosfeer die vergelijkbaar is met de druk van de aarde, en is veel dikker dan die van Mars (1% van de druk op zeeniveau van de aarde).
Het meest interessante punt over simulaties van Titan's koolwaterstofwaas is dat deze smoggy component moleculen bevat die tholins worden genoemd (van het Griekse woord muddy) en die de basis kunnen vormen voor de bouwstenen van het leven. Zo vormen aminozuren, een van de bouwstenen van het terrestrische leven, zich wanneer deze roodbruine smogachtige deeltjes in water worden geplaatst. Zoals Carl Sagan opmerkte, kan Titan worden beschouwd als een brede parallel met de vroege terrestrische atmosfeer met betrekking tot de chemie en op deze manier is het zeker relevant voor de oorsprong van het leven.
Deze zomer zal NASA's Cassini-ruimtevaartuig, gelanceerd in 1997, vier jaar lang in een baan rond Saturnus en zijn manen gaan. Begin 2005 zal de meeliftende Huygens-sonde zich in de wazige Titan-atmosfeer storten en op het maanoppervlak landen. Er zijn 12 instrumenten aan boord van de Cassini Spacecraft-orbiter en 6 instrumenten aan boord van de Huygens-sonde. De Huygens-sonde richt zich primair op het bemonsteren van de atmosfeer. De sonde is uitgerust om metingen uit te voeren en beelden op te nemen gedurende maximaal een half uur op het oppervlak. Maar de sonde heeft geen poten, dus wanneer hij op het oppervlak van Titan gaat zitten, zal de oriëntatie willekeurig zijn. En de landing mag niet zijn door een site met organische stoffen. Afbeeldingen van waar Cassini zich in zijn huidige baan bevindt, worden voortdurend bijgewerkt en kunnen worden bekeken terwijl de missie vordert.
Astrobiology Magazine had de gelegenheid om te praten met onderzoekswetenschapper Jean-Michel Bernard van de Universiteit van Parijs, over hoe de complexe chemie van Titan in een terrestrische reageerbuis kan worden gesimuleerd. Zijn simulaties van de omgeving van Titan bouwen voort op de klassieke prebiotische soep, die vijftig jaar geleden voor het eerst werd gepionierd door onderzoekers van de Universiteit van Chicago, Harold Urey en Stanley Miller.
Astrobiology Magazine (AM): Wat wekte voor het eerst uw interesse in de atmosferische chemie van Titan?
Jean-Michel Bernard (JB): Hoe creëren twee eenvoudige moleculen (stikstof en methaan) een zeer complexe chemie? Wordt chemie biochemie? De recente ontdekkingen van het leven in extreme omstandigheden op aarde (bacteriën op de zuidpool bij -40 ° C en archaea bij meer dan +110 ° C in de buurt van hydrothermale bronnen) laten toe te veronderstellen dat leven aanwezig kan zijn op andere werelden en andere voorwaarden.
Titan heeft astrobiologisch belang omdat het de enige satelliet in het zonnestelsel is met een dichte atmosfeer. De atmosfeer van Titan is gemaakt van stikstof en methaan. De energetische deeltjes die uit de omgeving van de zon en Saturnus komen, maken complexe chemie mogelijk, zoals de vorming van koolwaterstoffen en nitrilen. De deeltjes genereren ook een permanente waas rond de satelliet, regen van methaan, winden, seizoenen. Recentelijk lijken er meren van koolwaterstoffen te zijn gedetecteerd op het oppervlak van Titan. Ik denk dat deze ontdekking, als ze wordt bevestigd door de Cassini-Huygens-missie, van groot belang zal zijn.
Het zou Titan een analoog aan de aarde maken, omdat het een atmosfeer (gas), meren (vloeistof), nevel en aarde (vast) zou hebben, de drie noodzakelijke omgevingen voor het verschijnen van leven.
De samenstelling van de waas van Titan is onbekend. Alleen optische gegevens zijn beschikbaar en ze zijn moeilijk te analyseren vanwege de complexiteit van dit koolstofhoudende materiaal. Er zijn veel experimenten uitgevoerd om de chemie van de atmosfeer van Titan na te bootsen, met name de aerosols-analogen genaamd 'tholins' door de groep van Carl Sagan. Het lijkt erop dat tholins betrokken kunnen zijn bij de oorsprong van het leven. Hydrolyse van deze Titan aerosol-analogen leidt inderdaad tot de vorming van aminozuren, de voorlopers van het leven.
AM: Kun je je experimentele simulatie beschrijven om de Miller-Urey-experimenten uit te breiden op een manier die is aangepast aan de lage temperaturen en unieke chemie van Titan?
JB: Sinds de Miller-Urey-experimenten zijn veel experimentele simulaties van verondersteld prebiotisch systeem uitgevoerd. Maar na het ophalen van de gegevens van Voyager leek het nodig om terug te komen op deze benadering om de atmosfeer van Titan te simuleren. Vervolgens voerden verschillende wetenschappers dergelijke simulatie-experimenten uit door een stikstof-methaanmengsel in een systeem als Miller's apparaat te introduceren. Maar een probleem werd duidelijk door het verschil tussen de experimentele omstandigheden en de condities van Titan. De druk en temperatuur waren niet representatief voor de omgeving van Titan. Vervolgens besloten we experimenten uit te voeren die de druk en de temperatuur van Titan's stratosfeer reproduceren: een gasmengsel van 2% methaan in stikstof, een lage druk (ongeveer 1 mbar) en een cryogeen systeem om een lage temperatuur te hebben. Bovendien wordt ons systeem geplaatst in een handschoenenkastje dat pure stikstof bevat om besmetting door de omgevingslucht van de vaste producten te voorkomen.
AM: Wat beschouwt u als de beste energiebron om de synthetische chemie van Titan op gang te brengen: de magnetosfeer van Saturnische deeltjes, zonnestraling of iets anders?
JB: Wetenschappers debatteren over welke energiebron de energiebronnen in de atmosfeer van Titan het beste zou kunnen simuleren. Ultraviolette (UV) straling? Kosmische stralen? Elektronen en andere energetische deeltjes afkomstig uit de magnetosfeer van Saturnus? Al deze bronnen zijn betrokken, maar hun optreden hangt af van de hoogte: extreme ultraviolette straling en elektronen in de ionosfeer, UV-licht in de stratosfeer, terwijl kosmische straling in de troposfeer voorkomt.
Ik denk dat de juiste vraag zou moeten zijn: wat is het experimentele doel? Om de chemie van waterstofcyanide (HCN) in de stratosfeer van Titan te begrijpen, is een simulatie met UV-straling van HCN geschikt. Als het doel is om de effecten van door galactische kosmische straling in de troposfeer opgewekte elektrische velden te bepalen, verdient een corona-ontlading van een gesimuleerde Titan-atmosfeer de voorkeur.
Bij het bestuderen van de stratosferische omstandigheden van Titan hebben we ervoor gekozen om in onze simulatie een elektrische ontlading te gebruiken. Deze keuze wordt door een minderheid van wetenschappers betwist omdat de belangrijkste energiebron in de stratosfeer van Titan UV-straling is. Maar onze resultaten bevestigden ons experiment. We hebben alle op Titan waargenomen organische soorten gedetecteerd. We voorspelden de aanwezigheid van CH3CN (acetonitril) voordat het werd waargenomen. We ontdekten voor het eerst dicyaanacetyleen, C4N2, een onstabiel molecuul bij kamertemperatuur dat ook is gedetecteerd in de atmosfeer van Titan. De middelste infrarode handtekening van de vaste producten die in ons experiment zijn gemaakt, kwam overeen met de waarnemingen van Titan.
AM: Hoe maken uw resultaten deel uit van de geplande atmosferische tests voor de Cassini-Huygens-sonde?
JB: Na samen te werken met een team van het Observatoire Astronomique de Bordeaux in Frankrijk, hebben we de diëlektrische constanten van aërosolanalogen bepaald. Zo kunnen we inschatten hoe de atmosfeer en oppervlakte-eigenschappen van Titan de prestaties van de Cassini-Huygens-radarexperimenten kunnen beïnvloeden. De hoogtemeter aan boord van de Huygens-sonde kan worden beïnvloed door de aerosol-eigenschappen, maar aanvullende experimenten moeten worden uitgevoerd om dit resultaat te bevestigen.
Twee jaar geleden introduceerden we een gasmengsel, N2 / CH4 / CO (98 / 1.99 / 0.01). Het doel was om de impact van koolmonoxide, de meest voorkomende zuurstofrijke verbinding op Titan, te bepalen. Verrassend genoeg ontdekten we oxiraan in de gasfase als het belangrijkste zuurstofrijke product. Dit onstabiele molecuul werd ontdekt in het interstellaire medium, maar theoretische modellen voorspellen het niet voor de chemie van Titan. Maar misschien is dit molecuul wel aanwezig op Titan.
Momenteel analyseren we de eerste moleculen, radicalen, atomen en ionen (of ‘soorten’) die in onze experimentele reactor zijn gemaakt. We gebruiken infraroodspectrometrie en UV-zichtbare emissie om opgewonden soorten zoals CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2 te bestuderen. Vervolgens zullen we de correlatie zien tussen de overvloed van deze soorten en de structuren van de vaste producten. Door deze experimentele resultaten te koppelen aan een theoretisch model dat is ontwikkeld in samenwerking met de Universiteit van Porto in Portugal, zullen we een beter begrip krijgen van de chemie die plaatsvindt in de experimentele reactor. Hierdoor kunnen we de Cassini-Huygens-gegevens en de waasvorming van Titan analyseren.
Ons team is ook betrokken op het niveau van de missiewetenschap, aangezien een van de wetenschappers van de missie ook deel uitmaakt van onze groep aan het Laboratoire Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques, LISA). Onze laboratorium-tholins zullen worden gebruikt als gids om verschillende instrumenten op de Huygens-sonde en de Cassini-orbiter te kalibreren.
Er zijn 18 instrumenten aan boord van de sonde en orbiter. Kalibratietests zijn nodig voor gaschromatografie en massaspectroscopie [GC-MS]. De GC-MS zal chemicaliën in de atmosfeer van Titan identificeren en meten.
Kalibratietests zijn ook nodig voor de Aerosol Collector en Pyrolyser (ACP). Dit experiment trekt aerosoldeeltjes uit de atmosfeer via filters en verwarmt vervolgens de gevangen monsters in ovens om vluchtige stoffen te verdampen en de complexe organische materialen te ontbinden.
De Composite Infrared Spectrometer (CIRS), een thermisch meetinstrument op de orbiter, moet ook worden gekalibreerd. Vergeleken met eerdere deep space-missies is de spectrometer aan boord van Cassini-Huygens een aanzienlijke verbetering, met een spectrale resolutie die tien keer hoger is dan de spectrometer van het Voyager-ruimtevaartuig.
AM: Heeft u toekomstplannen voor dit onderzoek?
JB: Onze volgende stap is een experiment ontwikkeld door Marie-Claire Gazeau, genaamd "SETUP". Het experiment bestaat uit twee delen: een koud plasma om stikstof te dissociëren en een fotochemische reactor om methaan te fotodissociëren. Dit geeft ons een betere wereldwijde simulatie van de toestand van Titan.
Oorspronkelijke bron: NASA Astrobiology Magazine
