Международная группа ученых воссоздала атмосферу Титана в лаборатории

Международной команде исследователей удалось воссоздать атмосферные условия самого большого спутника Сатурна в лаборатории на Земле. Результаты работы опубликованы журналом Astrophysical Journal Letters в статье под названием «Визуализация органической дымки Титана в атомном масштабе», 25 февраля сообщил известный научный портал Phys Org.

Уже давно ученые подозревали, что изучение атмосферы Титана может дать жизненно важные ключи к знаниям о ранних стадиях эволюции жизни на Земле. Благодаря новым исследованиям, проведенным исследовательской группой под руководством доктора Фабиана Шульца и доктора Жюльена Майяра на базе лабораторно-исследовательского центра IBM Research в Цюрихе, удалось воссоздать атмосферные условия на Титане.

Группа включала в себя ученых из Университета Париж-Сакле, Университета Руана в Мон-Сен-Эньяне и Института Фрица Хабера Общества Макса Планка.

Многое из того, что мы сегодня знаем о Титане, связано с космическим аппаратом «Кассини», который находился на орбите Сатурна с 2004 по 2017 год и завершил свою миссию погружением в атмосферу планеты. За это время «Кассини» провел множество прямых измерений атмосферы Титана, обнаружив удивительно похожую на Землю среду. По сути, Титан — единственное тело в Солнечной системе, имеющее плотную азотную атмосферу и протекающие в ней органические процессы.

По мнению ученых, примерно 2,8 миллиарда лет назад атмосфера Земли могла быть такой же. Это совпадает с мезоархейской эрой — периодом, когда фотосинтетические цианобактерии создали первые рифовые системы и медленно преобразовали атмосферный углекислый газ Земли в газообразный кислород (что в конечном итоге привело к ее нынешнему балансу азота и кислорода).

Хотя считается, что поверхность Титана содержит подсказки, которые могли бы улучшить наше понимание того, как возникла жизнь в нашей Солнечной системе, детально рассмотреть эту поверхность довольно проблематично. Это связано с особенностью атмосферы Титана, которая пронизана плотной фотохимической дымкой, рассеивающей свет.

«Туман Титана состоит из наночастиц, состоящих из множества крупных и сложных органических молекул, содержащих углерод, водород и азот. Эти молекулы образуются в каскаде химических реакций, когда (ультрафиолетовое и космическое) излучение попадает в смесь метана, азота и других газов в атмосфере, подобной атмосфере Титана», — объяснили в статье соавторы исследования Лео Гросс и Натали Карраско.

Ученые до сих пор многого не знают о процессах, происходящих в атмосфере Титана, включая точную химическую структуру крупных молекул, составляющих эту дымку. В течение десятилетий астрохимики проводили лабораторные эксперименты с подобными органическими молекулами, известными как толины — термин, производный от греческого слова «мутный» (или «туманный»).

Толины относятся к широкому спектру органических углеродсодержащих соединений, которые образуются при воздействии солнечных ультрафиолетовых или космических лучей. Эти молекулы распространены во внешней Солнечной системе и обычно встречаются в ледяных телах, где поверхностный слой содержит метановый лед, который подвергается воздействию радиации. На их присутствие указывает часть поверхности Титана, которая имеет красноватый вид или пятна светло-коричневого цвета.

В рамках исследования команда под руководством Шульца и Майяра провела эксперимент, в котором они наблюдали толины на различных стадиях формирования в лабораторных условиях.

«Мы наполнили сосуд из нержавеющей стали смесью метана и азота, а затем запустили в нем химические реакции с помощью электрического разряда, тем самым имитируя условия в атмосфере Титана. Затем мы проанализировали более 100 полученных молекул, составляющих толины Титана, в нашей лаборатории в Цюрихе, получив изображения с атомным разрешением около дюжины из них с помощью нашего домашнего низкотемпературного атомно-силового микроскопа», — объяснили Гросс и Карраско.

Изучая молекулы разных размеров, команда получила представление о различных стадиях роста этих молекул тумана, а также о том, как выглядит их химический состав. По сути, они наблюдали ключевой компонент в атмосфере Титана, создающий знаменитый туманный эффект, в период его формирования и накопления.

«Здесь мы впервые видим молекулярную архитектуру синтетических соединений, подобных тем, которые, как считается, вызывают оранжевую дымку атмосферы Титана. Эта методика теперь предоставляет собой захватывающий новый инструмент для анализа образцов астробиологических материалов, включая метеориты и возвращенные образцы планетных тел», — рассказали ученые.

Более того, их результаты могут также пролить свет на загадочный гидрологический цикл Титана, основанный на метане. На Земле этот цикл состоит из перехода воды из газообразного состояния в жидкое. На Титане тот же цикл происходит с метаном, который переходит из атмосферного метанового газа и выпадает в виде метанового дождя, образуя знаменитые углеводородные озера Титана.

В этом случае результаты работы исследовательской группы могли бы выявить роль химической дымки в метановом цикле Титана, в частности помочь понять, могут ли эти наночастицы плавать в его метановых озерах, и могли ли подобные атмосферные аэрозоли зародиться на Земле миллиарды лет назад.

«Молекулярные структуры, которые мы сейчас получили, как известно, являются хорошими поглотителями ультрафиолетового света», — пояснили исследователи, — «Это, в свою очередь, означает, что туман, возможно, действовал как щит, защищающий молекулы ДНК на ранней поверхности Земли от разрушительного излучения».

Если эта теория верна, выводы команды не только помогут ученым понять условия, в которых возникла жизнь на Земле, но и могут указать на возможное существование жизни на Титане.

Напомним, о загадочной природе этого спутника ученые впервые узнали в начале 1980-х годов, когда космические зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» пролетели через систему Сатурна.

К 2030-м годам НАСА планирует отправить на Титан роботизированный винтокрылый аппарат под названием Dragonfly, чтобы исследовать его поверхность и атмосферу и продолжить поиски признаков жизни. Проведенная в настоящее время теоретическая работа и лабораторные эксперименты позволят ученым «сузить фокус» и увеличить шансы на успешный результат миссии.