Trong suốt 13 năm và 76 ngày Cassini nhiệm vụ đã trải qua trên Sao Thổ, quỹ đạo và tàu đổ bộ của nó ( Huygens thăm dò) tiết lộ rất nhiều về sao Thổ và các hệ mặt trăng của nó. Điều này đặc biệt đúng với Titan, mặt trăng lớn nhất Sao Thổ và một trong những vật thể bí ẩn nhất trong Hệ Mặt Trời. Do kết quả của nhiều loài ruồi Cassini, các nhà khoa học đã học được rất nhiều về hồ khí mêtan Titan, khí quyển giàu nitơ và các đặc điểm bề mặt.
Mặc dù Cassini lao vào bầu không khí Saturn vào ngày 15 tháng 9 năm 2017, các nhà khoa học vẫn đang đổ về những điều nó tiết lộ. Chẳng hạn, trước khi kết thúc nhiệm vụ, Cassini đã chụp được hình ảnh của một đám mây kỳ lạ lơ lửng trên đỉnh cực nam Titan, một thành phần gồm các hạt băng lai, độc hại. Phát hiện này là một dấu hiệu khác về hóa học hữu cơ phức tạp xảy ra trong bầu khí quyển Titan và trên bề mặt của nó.
Vì đám mây này không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nên nó chỉ có thể quan sát được nhờ Máy quang phổ hồng ngoại tổng hợp Cassini từ (CIRS). Công cụ này phát hiện ra đám mây ở độ cao khoảng 160 đến 210 km (100 đến 130 mi), vượt xa những đám mây mưa mêtan của tầng đối lưu Titan. Nó cũng bao phủ một khu vực rộng lớn gần cực nam, giữa vĩ độ 75 ° và 85 ° Nam.
Sử dụng dấu vân tay hóa học thu được từ thiết bị CIRS, các nhà nghiên cứu của NASA cũng đã tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để tái cấu trúc thành phần hóa học của đám mây. Những thí nghiệm đã xác định rằng đám mây bao gồm các phân tử hữu cơ hydro xyanua và benzen. Hai hóa chất này dường như đã ngưng tụ lại với nhau để tạo thành các hạt băng, thay vì được xếp chồng lên nhau.
Đối với những người đã dành hơn một thập kỷ qua để nghiên cứu bầu không khí Titan, đây là một phát hiện khá thú vị và bất ngờ. Như Carrie Anderson, một đồng điều tra viên của CIRS tại Trung tâm hàng không vũ trụ NASA NASA Goddard, cho biết trong một thông cáo báo chí gần đây của NASA:
Đám mây này đại diện cho một công thức hóa học mới của băng trong bầu khí quyển Titan. Điều thú vị ở đây là băng độc hại này được tạo thành từ hai phân tử ngưng tụ với nhau từ hỗn hợp khí phong phú ở cực nam.
Sự hiện diện của đám mây này xung quanh cực nam Titan, cũng là một ví dụ khác về mô hình lưu thông toàn cầu mặt trăng. Điều này liên quan đến các dòng khí ấm được gửi từ bán cầu đang trải qua mùa hè đến bán cầu trải nghiệm mùa đông. Mô hình này đảo ngược hướng khi các mùa thay đổi, dẫn đến sự tích tụ của các đám mây xung quanh bất kỳ cực nào đang trải qua mùa đông.
Khi quỹ đạo Cassini đến Sao Thổ vào năm 20o4, bán cầu bắc Titan Titan đang trải qua mùa đông - bắt đầu vào năm 2004. Điều này được chứng minh bằng sự tích tụ của các đám mây xung quanh cực bắc của nó, mà Cassini đã phát hiện ra trong lần chạm trán đầu tiên với mặt trăng vào cuối năm đó. Tương tự, hiện tượng tương tự cũng diễn ra xung quanh cực nam gần cuối nhiệm vụ của Cassini.
Điều này phù hợp với những thay đổi theo mùa trên Titan, diễn ra trong khoảng bảy năm Trái đất - một năm trên Titan kéo dài khoảng 29,5 năm Trái đất. Thông thường, các đám mây hình thành trong bầu khí quyển Titan Titan được cấu trúc thành các lớp, trong đó các loại khí khác nhau sẽ ngưng tụ thành các đám mây băng giá ở các độ cao khác nhau. Cái nào ngưng tụ phụ thuộc vào lượng hơi và nhiệt độ - trở nên lạnh hơn gần bề mặt.
Tuy nhiên, đôi khi, các loại đám mây khác nhau có thể hình thành trên một phạm vi độ cao hoặc đồng ngưng với các loại đám mây khác. Đây chắc chắn là trường hợp khi nói đến đám mây lớn hydro xyanua và benzen được phát hiện trên cực nam. Bằng chứng về đám mây này được lấy từ ba bộ quan sát Titan được thực hiện bằng công cụ CIRS, diễn ra từ tháng 7 đến tháng 11 năm 2015.
Thiết bị CIRS hoạt động bằng cách tách ánh sáng hồng ngoại thành các màu cấu thành của nó, sau đó đo cường độ của các tín hiệu này ở các bước sóng khác nhau để xác định sự hiện diện của chữ ký hóa học. Trước đây, nó được sử dụng để xác định sự hiện diện của các đám mây băng hydro xyanua trên cực nam, cũng như các hóa chất độc hại khác trong tầng bình lưu mặt trăng.
Như F. Michael Flasar, điều tra viên chính của CIRS tại Goddard, nói:
CIRS hoạt động như một nhiệt kế viễn thám và như một đầu dò hóa học, chọn ra bức xạ nhiệt phát ra từ các khí riêng lẻ trong khí quyển. Và nhạc cụ thực hiện tất cả từ xa, trong khi đi ngang qua một hành tinh hoặc mặt trăng.
Tuy nhiên, khi kiểm tra dữ liệu quan sát về dấu vân tay hóa học, thì Anderson và các đồng nghiệp của cô nhận thấy rằng chữ ký quang phổ của đám mây băng giá không khớp với bất kỳ hóa chất riêng lẻ nào. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã bắt đầu tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm nơi hỗn hợp khí được ngưng tụ trong một buồng mô phỏng các điều kiện trong tầng bình lưu Titan.
Sau khi thử nghiệm các cặp hóa chất khác nhau, cuối cùng họ đã tìm thấy một loại trùng khớp với chữ ký hồng ngoại được quan sát bởi CIRS. Lúc đầu, họ đã thử để một khí ngưng tụ trước khí kia, nhưng thấy rằng kết quả tốt nhất thu được khi cả hai khí được đưa vào và cho phép ngưng tụ cùng một lúc. Công bằng mà nói, đây không phải là lần đầu tiên Anderson và các đồng nghiệp của cô phát hiện ra băng cô đặc trong dữ liệu CIRS.
Ví dụ, các quan sát tương tự đã được thực hiện gần cực Bắc năm 2005, khoảng hai năm sau khi bán cầu bắc trải qua ngày đông chí. Vào thời điểm đó, các đám mây băng giá được phát hiện ở độ cao thấp hơn nhiều (dưới 150 km, hoặc 93 mi) và cho thấy dấu vân tay hóa học của hydro cyaninf và caynoacetylene - một trong những phân tử hữu cơ phức tạp hơn trong bầu khí quyển Titan.
Sự khác biệt giữa điều này và phát hiện mới nhất của một đám mây lai, theo Anderson, xuất phát từ sự khác biệt về sự thay đổi theo mùa giữa hai cực bắc và nam. Trong khi đám mây cực bắc quan sát được vào năm 2005 được phát hiện khoảng hai năm sau ngày đông chí bắc, đám mây phía nam Anderson và nhóm của cô được kiểm tra gần đây đã được phát hiện hai năm trước ngày đông chí miền nam.
Nói tóm lại, có thể hỗn hợp khí hơi khác nhau trong hai trường hợp và / hoặc đám mây phía bắc có cơ hội ấm lên một chút, do đó làm thay đổi thành phần của nó. Như Anderson giải thích, những quan sát này đã được thực hiện nhờ vào nhiều năm mà sứ mệnh Cassini đã trải qua trên Sao Thổ:
Một trong những lợi thế của Cassini là chúng ta có thể bay Titan nhiều lần trong suốt nhiệm vụ mười ba năm để thấy những thay đổi theo thời gian. Đây là một phần lớn trong giá trị của một nhiệm vụ dài hạn.
Các nghiên cứu bổ sung chắc chắn sẽ cần thiết để xác định cấu trúc của những đám mây băng giá của thành phần hỗn hợp này, và Anderson và nhóm của cô đã có một số ý tưởng về cách chúng trông như thế nào. Để kiếm tiền, các nhà nghiên cứu hy vọng những đám mây này sẽ vón cục và mất trật tự, thay vì các tinh thể được xác định rõ như các đám mây hóa học đơn lẻ.
Trong những năm tới, các nhà khoa học của NASA chắc chắn sẽ dành rất nhiều thời gian và năng lượng để phân loại thông qua tất cả các dữ liệu thu được từ Cassini nhiệm vụ trong suốt nhiệm vụ 13 năm của mình. Ai biết những gì họ sẽ phát hiện trước khi họ cạn kiệt bộ sưu tập dữ liệu khổng lồ của quỹ đạo?
Đọc tương lai: NASA
