Tín dụng hình ảnh: ESA
Phải mất ít nhất ba yếu tố để chứa chấp sự sống như chúng ta biết: nước, năng lượng và bầu khí quyển. Trong số Sao Hỏa và các mặt trăng xung quanh cả Sao Mộc và Sao Thổ, có bằng chứng về một hoặc hai trong số ba nguyên tố này, nhưng ít được biết đến nếu có một bộ hoàn chỉnh. Chỉ có mặt trăng Saturn, Titan, có bầu khí quyển tương đương với Trái đất về áp lực, và dày hơn nhiều so với mặt trăng sao hỏa (1% áp suất mực nước biển của Trái đất).
Điểm thú vị nhất về mô phỏng khói mù hydrocarbon Titan là thành phần khói bụi này chứa các phân tử gọi là tholins (từ tiếng Hy Lạp, bùn) có thể tạo thành nền tảng của các khối xây dựng của sự sống. Ví dụ, các axit amin, một trong những khối xây dựng của sự sống trên cạn, hình thành khi các hạt giống như khói màu nâu đỏ này được đặt trong nước. Như Carl Sagan đã chỉ ra, Titan có thể được coi là một song song rộng lớn với bầu khí quyển trên mặt đất ban đầu liên quan đến hóa học của nó và theo cách này, nó chắc chắn có liên quan đến nguồn gốc của sự sống.
Mùa hè này, tàu vũ trụ NASA Cass Cassini, được phóng vào năm 1997, dự kiến sẽ đi vào quỹ đạo quanh Sao Thổ và các mặt trăng của nó trong bốn năm. Đầu năm 2005, tàu thăm dò Huygens cõng dự kiến sẽ lao vào bầu khí quyển Titan mờ ảo và đáp xuống bề mặt mặt trăng. Có 12 thiết bị trên tàu quỹ đạo tàu vũ trụ Cassini và 6 thiết bị trên tàu thăm dò Huygens. Đầu dò Huygens chủ yếu hướng tới việc lấy mẫu khí quyển. Đầu dò được trang bị để thực hiện các phép đo và ghi lại hình ảnh trong tối đa nửa giờ trên bề mặt. Nhưng đầu dò không có chân, nên khi đặt xuống bề mặt Titan, hướng của nó sẽ là ngẫu nhiên. Và hạ cánh của nó có thể không phải là bởi một trang web mang chất hữu cơ. Hình ảnh về nơi Cassini ở trong quỹ đạo hiện tại của nó liên tục được cập nhật và có sẵn để xem khi nhiệm vụ tiến triển.
Tạp chí Astrobiology đã có cơ hội nói chuyện với nhà khoa học nghiên cứu, Jean-Michel Bernard của Đại học Paris, về cách mô phỏng hóa học phức tạp Titan Titan trong ống nghiệm trên mặt đất. Các mô phỏng của ông về môi trường Titan, được xây dựng dựa trên món súp prebiotic cổ điển, được tiên phong lần đầu tiên cách đây năm mươi năm bởi các nhà nghiên cứu của Đại học Chicago, Harold Urey và Stanley Miller.
Tạp chí sinh học (AM): Điều gì đầu tiên kích thích sự quan tâm của bạn đến hóa học khí quyển của Titan?
Jean-Michel Bernard (JB): Làm thế nào để hai phân tử đơn giản (nitơ và metan) tạo ra một hóa học rất phức tạp? Hóa học có trở thành hóa sinh không? Những khám phá gần đây về sự sống trong điều kiện khắc nghiệt trên Trái đất (vi khuẩn ở Nam Cực ở -40 ° C và vi khuẩn cổ ở hơn +110 C trong vùng lân cận các nguồn thủy nhiệt) cho phép giả sử rằng sự sống có thể có ở các thế giới khác và các thế giới khác điều kiện.
Titan có mối quan tâm sinh học vì nó là vệ tinh duy nhất trong hệ mặt trời có bầu khí quyển dày đặc. Khí quyển Titan Titan được làm từ nitơ và metan. Các hạt năng lượng đến từ môi trường Mặt trời và Sao Thổ cho phép hóa học phức tạp, chẳng hạn như hình thành hydrocarbon và nitriles. Các hạt này cũng tạo ra một đám mây vĩnh cửu xung quanh vệ tinh, mưa metan, gió, mùa gần đây, các hồ hydrocarbon dường như đã được phát hiện trên bề mặt Titan. Tôi nghĩ rằng khám phá này, nếu được xác nhận bởi nhiệm vụ Cassini-Huygens, sẽ rất được quan tâm.
Nó sẽ biến Titan thành một thứ tương tự Trái đất, vì nó sẽ có một bầu khí quyển (khí), hồ (chất lỏng), khói mù và đất (rắn), ba môi trường cần thiết cho sự xuất hiện của sự sống.
Thành phần của khói Titan Titan chưa được biết. Chỉ có dữ liệu quang học và chúng rất khó để phân tích do sự phức tạp của vật liệu carbonate này. Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện để mô phỏng hóa học của bầu khí quyển Titan, đáng chú ý nhất là các chất tương tự aerosol có tên là RSS tholinslahoma của nhóm Carl Sagan. Dường như tholins có thể liên quan đến nguồn gốc của sự sống. Thật vậy, quá trình thủy phân các chất tương tự Titan này tạo ra sự hình thành các axit amin, tiền chất của sự sống.
LÀ: Bạn có thể mô tả mô phỏng thử nghiệm của mình để mở rộng các thí nghiệm Miller-Urey theo cách được tùy chỉnh cho Titan nhiệt độ thấp và hóa học độc đáo không?
JB: Kể từ thí nghiệm Miller-Urey, nhiều mô phỏng thử nghiệm hệ thống prebiotic được cho là đã được thực hiện. Nhưng sau khi lấy lại dữ liệu Voyager, có vẻ như cần phải quay lại phương pháp này để mô phỏng bầu không khí Titan Titan. Sau đó, một số nhà khoa học đã thực hiện các thí nghiệm mô phỏng như vậy bằng cách giới thiệu hỗn hợp nitơ-metan trong một hệ thống như bộ máy Miller. Nhưng một vấn đề đã trở nên rõ ràng do sự khác biệt giữa các điều kiện thí nghiệm và điều kiện Titan Titan. Áp suất và nhiệt độ không phải là đại diện cho môi trường Titan. Sau đó, chúng tôi quyết định thực hiện các thí nghiệm tái tạo áp suất và nhiệt độ của tầng bình lưu Titan, một hỗn hợp khí gồm 2% khí mêtan trong nitơ, áp suất thấp (khoảng 1 mbar) và hệ thống đông lạnh để có nhiệt độ thấp. Hơn nữa, hệ thống của chúng tôi được đặt trong hộp găng tay chứa nitơ tinh khiết để tránh ô nhiễm bởi không khí xung quanh của các sản phẩm rắn.
LÀ: Bạn nghĩ gì về nguồn năng lượng tốt nhất để kích hoạt hóa học tổng hợp Titan Titan: từ trường của các hạt Saturnian, bức xạ mặt trời, hoặc một cái gì khác?
JB: Các nhà khoa học tranh luận về nguồn năng lượng nào sẽ mô phỏng tốt nhất các nguồn năng lượng trong bầu khí quyển Titan Titan. Tia cực tím (UV)? Các tia vũ trụ? Electron và các hạt năng lượng khác đến từ từ quyển sao Thổ Saturn? Tất cả các nguồn này đều có liên quan, nhưng sự xuất hiện của chúng phụ thuộc vào độ cao: bức xạ cực tím và electron trong tầng điện ly, tia UV trong tầng bình lưu, trong khi các tia vũ trụ xảy ra trong tầng đối lưu.
Tôi nghĩ câu hỏi thích hợp nên là: mục tiêu thử nghiệm là gì? Nếu muốn hiểu về hóa học hydro xyanua (HCN) trong tầng bình lưu Titan, thì một mô phỏng với bức xạ UV của HCN là phù hợp. Nếu mục tiêu là xác định ảnh hưởng của điện trường được tạo ra bởi các tia vũ trụ thiên hà trong tầng đối lưu, thì việc phóng thích corona của bầu khí quyển Titan mô phỏng là thích hợp hơn.
Khi nghiên cứu các điều kiện địa tầng Titan, chúng tôi đã chọn sử dụng phóng điện trong mô phỏng của mình. Sự lựa chọn này được tranh cãi bởi một số ít các nhà khoa học vì nguồn năng lượng chính trong tầng bình lưu Titan Titan là bức xạ UV. Nhưng kết quả của chúng tôi xác nhận thử nghiệm của chúng tôi. Chúng tôi đã phát hiện tất cả các loài hữu cơ quan sát được trên Titan. Chúng tôi dự đoán sự hiện diện của CH3CN (acetonitril) trước khi quan sát. Chúng tôi đã phát hiện lần đầu tiên dicyanoacetylene, C4N2, một phân tử không ổn định ở nhiệt độ phòng cũng đã được phát hiện trong bầu khí quyển Titan Titan. Chữ ký hồng ngoại ở giữa của các sản phẩm rắn được tạo ra trong thí nghiệm của chúng tôi phù hợp với các quan sát Titan.
LÀ: Làm thế nào là kết quả của bạn một phần của thử nghiệm khí quyển theo kế hoạch cho tàu thăm dò Cassini-Huygens?
JB: Sau khi hợp tác với một nhóm từ Observatoire Astronomique de Bordeaux ở Pháp, chúng tôi đã xác định được hằng số điện môi của các chất tương tự aerosol. Điều này sẽ cho phép chúng tôi ước tính làm thế nào các tính chất bề mặt và không khí Titan Titan có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các thí nghiệm radar Cassini-Huygens. Máy đo độ cao trên tàu thăm dò Huygens có thể bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của khí dung, nhưng các thí nghiệm bổ sung phải được thực hiện để xác nhận kết quả này.
Hai năm trước, chúng tôi đã giới thiệu một hỗn hợp khí, N2 / CH4 / CO (98 / 1.99 / 0.01). Mục đích là để xác định tác động của carbon monoxide, hợp chất oxy có nhiều nhất trên Titan. Đáng ngạc nhiên, chúng tôi đã phát hiện oxirane trong pha khí là sản phẩm oxy chính. Phân tử không ổn định này được phát hiện trong môi trường liên sao nhưng các mô hình lý thuyết không dự đoán nó cho hóa học Titan Titan. Tuy nhiên, có lẽ phân tử này có mặt trên Titan.
Hiện tại, chúng tôi đang phân tích các phân tử, gốc tự do, nguyên tử và ion (hoặc or loài) được tạo ra bên trong lò phản ứng thử nghiệm của chúng tôi. Chúng tôi đang sử dụng quang phổ hồng ngoại và phát xạ tia UV để nghiên cứu các loài bị kích thích như CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. Tiếp theo, chúng ta sẽ quan sát mối tương quan giữa sự phong phú của các loài này và cấu trúc của các sản phẩm rắn. Kết hợp những kết quả thí nghiệm này với một mô hình lý thuyết được phát triển với sự cộng tác của Đại học Porto ở Bồ Đào Nha, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về hóa học xảy ra trong lò phản ứng thực nghiệm. Điều này sẽ cho phép chúng tôi phân tích dữ liệu Cassini-Huygens và sự hình thành khói mù Titan Titan.
Nhóm của chúng tôi cũng tham gia ở cấp độ khoa học nhiệm vụ, vì một trong những nhà khoa học của nhiệm vụ cũng nằm trong nhóm của chúng tôi tại Phòng thí nghiệm Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? RISA, LISA). Tholins trong phòng thí nghiệm của chúng tôi sẽ được sử dụng làm hướng dẫn để hiệu chỉnh một số thiết bị trên đầu dò Huygens và quỹ đạo Cassini.
Có 18 dụng cụ trên tàu thăm dò và quỹ đạo. Các xét nghiệm hiệu chuẩn là cần thiết cho sắc ký khí và quang phổ khối [GC-MS]. GC-MS sẽ xác định và đo lường các hóa chất trong bầu khí quyển Titan Titan.
Các xét nghiệm hiệu chuẩn cũng cần thiết cho Aerosol Collector và Pyrolyser (ACP). Thí nghiệm này sẽ thu hút các hạt aerosol từ khí quyển qua các bộ lọc, sau đó làm nóng các mẫu bị bẫy trong lò để làm bay hơi các chất bay hơi và phân hủy các vật liệu hữu cơ phức tạp.
Máy quang phổ hồng ngoại hỗn hợp (CIRS), một dụng cụ đo nhiệt trên quỹ đạo, cũng cần phải được hiệu chuẩn. So với các nhiệm vụ không gian sâu trước đây, máy quang phổ trên tàu Cassini-Huygens là một cải tiến đáng kể, với độ phân giải quang phổ cao gấp mười lần so với máy quang phổ Voyager của tàu vũ trụ Voyager.
LÀ: Bạn có kế hoạch tương lai cho nghiên cứu này?
JB: Bước tiếp theo của chúng tôi là một thử nghiệm được phát triển bởi Marie-Claire Gazeau, được gọi là LẬP TỨC. Thí nghiệm có hai phần: một plasma lạnh để phân tách nitơ và một lò phản ứng quang hóa để quang hóa metan. Điều này sẽ cho chúng ta một mô phỏng toàn cầu tốt hơn về tình trạng Titan Titan.
Nguồn gốc: Tạp chí Astrobiology của NASA
