Mặc dù Cassini quỹ đạo đã kết thúc nhiệm vụ vào ngày 15 tháng 9 năm 2017, dữ liệu mà nó thu thập được trên Sao Thổ và mặt trăng lớn nhất của nó, Titan, tiếp tục gây sửng sốt và kinh ngạc. Trong suốt mười ba năm mà nó đã quay quanh Sao Thổ và thực hiện các chuyến bay của các mặt trăng của nó, tàu thăm dò đã thu thập rất nhiều dữ liệu về bầu khí quyển Titan, bề mặt, hồ metan và môi trường hữu cơ phong phú mà các nhà khoa học tiếp tục khám phá.
Chẳng hạn, có một vấn đề về cồn cát bí ẩn của người Viking trên Titan, dường như là hữu cơ trong tự nhiên và cấu trúc và nguồn gốc của nó vẫn còn là một bí ẩn. Để giải quyết những bí ẩn này, một nhóm các nhà khoa học từ Đại học John Hopkins (JHU) và công ty nghiên cứu Nanomechanics gần đây đã tiến hành một nghiên cứu về cồn Titan Titan và kết luận rằng chúng có khả năng hình thành ở các vùng xích đạo Titan.
Nghiên cứu của họ, Cát Titan đến từ đâu: Thông tin chi tiết về tính chất cơ học của thí sinh Titan Cát, gần đây đã xuất hiện trực tuyến và đã được gửi tới Tạp chí nghiên cứu địa vật lý: Các hành tinh. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Xinting Yu, một sinh viên tốt nghiệp Khoa Khoa học Trái đất và Hành tinh (EPS) tại JHU, và bao gồm Trợ lý Giáo sư EPS Sarah Horst (cố vấn của Yu) Chao He, và Patricia McGuiggan, với sự hỗ trợ của Bryan Crawford Công nghệ nano
Để phá vỡ nó, cồn cát Titan Titan ban đầu được phát hiện bởi Cassini Khai dụng cụ radar ở vùng Shangri-La gần xích đạo. Những hình ảnh mà tàu thăm dò thu được cho thấy những vệt tối dài, tuyến tính trông giống như những đụn cát bị gió cuốn tương tự như những gì tìm thấy trên Trái đất. Kể từ khi phát hiện ra, các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng chúng bao gồm các hạt hydrocarbon đã lắng xuống bề mặt từ bầu khí quyển Titan Titan.
Trước đây, các nhà khoa học đã phỏng đoán rằng chúng hình thành ở các khu vực phía bắc xung quanh hồ khí mêtan Titan và được phân phối đến khu vực xích đạo bởi những cơn gió mặt trăng. Nhưng những hạt này thực sự đến từ đâu, và làm thế nào chúng được phân phối trong các thành tạo giống như cồn cát này, vẫn còn là một bí ẩn. Tuy nhiên, như Yu đã giải thích với Tạp chí Vũ trụ qua email, đó chỉ là một phần trong những điều khiến những cồn cát này trở nên bí ẩn:
Trước tiên, không ai có thể nhìn thấy bất kỳ cồn cát nào trên Titan trước nhiệm vụ Cassini-Huygens, bởi vì các mô hình lưu thông toàn cầu dự đoán tốc độ gió trên Titan quá yếu để thổi các vật liệu tạo thành cồn cát. Tuy nhiên, qua Cassini, chúng ta đã thấy những cánh đồng cồn tuyến tính rộng lớn bao phủ gần 30% các vùng xích đạo của Titan!
Thứ hai, chúng tôi không chắc chắn cát của Titan được hình thành như thế nào. Vật liệu trên Titan hoàn toàn khác với trên Trái đất. Trên trái đất, vật liệu cồn cát chủ yếu là các mảnh cát silicat được phong hóa từ đá silicat. Trong khi trên Titan, các vật liệu cồn cát là các chất hữu cơ phức tạp được hình thành bởi quá trình quang hóa trong khí quyển, rơi xuống đất. Các nghiên cứu cho thấy các hạt cồn cát khá lớn (ít nhất 100 micron), trong khi các hạt hữu cơ hình thành quang hóa vẫn còn khá nhỏ gần bề mặt (chỉ khoảng 1 micron). Vì vậy, chúng tôi không chắc chắn làm thế nào các hạt hữu cơ nhỏ được chuyển thành các hạt cồn cát lớn (bạn cần một triệu hạt hữu cơ nhỏ để tạo thành một hạt cát duy nhất!)
Thứ ba, chúng tôi cũng không biết các hạt hữu cơ trong khí quyển được xử lý để trở nên lớn hơn để tạo thành các hạt cồn cát. Một số nhà khoa học nghĩ rằng các hạt này có thể được xử lý ở khắp mọi nơi để tạo thành các hạt cồn, trong khi một số nhà nghiên cứu khác tin rằng sự hình thành của chúng cần phải liên quan đến chất lỏng Titan (metan và ethane), hiện chỉ nằm ở các vùng cực.
Để làm sáng tỏ điều này, Yu và các đồng nghiệp của cô đã tiến hành một loạt các thí nghiệm để mô phỏng các vật liệu được vận chuyển trên cả các vật thể trên mặt đất và băng giá. Điều này bao gồm việc sử dụng một số cát đất tự nhiên, như cát bãi biển silicat, cát carbonate và cát gyspum trắng. Để mô phỏng các loại vật liệu được tìm thấy trên Titan, họ đã sử dụng tholin được sản xuất trong phòng thí nghiệm, là các phân tử metan đã bị bức xạ UV.
Việc sản xuất tholin được thực hiện đặc biệt để tái tạo các loại aerosol hữu cơ và điều kiện quang hóa phổ biến trên Titan. Điều này đã được thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống thí nghiệm Nghiên cứu HAZE hành tinh (PHAZER) tại Đại học Johns Hopkins - mà Điều tra viên chính là Sarah Horst. Bước cuối cùng bao gồm sử dụng kỹ thuật nanoidentization (được giám sát bởi Bryan Crawford của Nanometrics Inc.) để nghiên cứu các tính chất cơ học của cát và tholin mô phỏng.
Điều này bao gồm việc đặt các chất mô phỏng cát và tholin vào một đường hầm gió để xác định khả năng di chuyển của chúng và xem liệu chúng có thể được phân phối trong cùng một mô hình hay không. Như Yu đã giải thích:
Các động lực đằng sau nghiên cứu là cố gắng trả lời bí ẩn thứ ba. Nếu các vật liệu cồn cát được xử lý thông qua các chất lỏng, nằm ở vùng cực của Titan, thì chúng cần đủ mạnh để được vận chuyển từ các cực đến các vùng xích đạo của Titan, nơi có hầu hết các cồn cát. Tuy nhiên, lượng tholin chúng tôi sản xuất trong phòng thí nghiệm rất thấp: độ dày của màng tholin chúng tôi sản xuất chỉ khoảng 1 micron, khoảng 1 / 10-1 / 100 độ dày của tóc người. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã sử dụng một kỹ thuật nano rất hấp dẫn và chính xác được gọi là nanoindentation để thực hiện các phép đo. Mặc dù các vết lõm và vết nứt được tạo ra đều ở quy mô nanomet, chúng ta vẫn có thể xác định chính xác các tính chất cơ học như mô đun Young Young (chỉ số độ cứng), độ cứng nano (độ cứng) và độ bền gãy (chỉ số độ giòn) của màng mỏng.
Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã xác định rằng các phân tử hữu cơ được tìm thấy trên Titan mềm hơn và dễ vỡ hơn khi so sánh với cả những bãi cát mềm nhất trên Trái đất. Nói một cách đơn giản, các tholin họ sản xuất dường như không có sức mạnh để đi được khoảng cách mênh mông nằm giữa hồ methane phía bắc Titan và khu vực xích đạo. Từ đó, họ kết luận rằng cát hữu cơ trên Titan có khả năng hình thành gần nơi chúng nằm.
Sự hình thành của chúng có thể không liên quan đến chất lỏng trên Titan, vì điều đó đòi hỏi một khoảng cách vận chuyển khổng lồ hơn 2000 km từ các cột Titan Titan đến xích đạo, ông Yu nói thêm. Các hạt hữu cơ mềm và giòn sẽ bị nghiền thành bụi trước khi chúng đến xích đạo. Nghiên cứu của chúng tôi đã sử dụng một phương pháp hoàn toàn khác và củng cố một số kết quả được suy ra từ các quan sát của Cassini.
Cuối cùng, nghiên cứu này đại diện cho một hướng đi mới cho các nhà nghiên cứu khi nói đến nghiên cứu về Titan và các cơ quan khác trong Hệ Mặt Trời. Như Yu đã giải thích, trong quá khứ, các nhà nghiên cứu chủ yếu bị hạn chế với Cassini dữ liệu và mô hình hóa để trả lời các câu hỏi về cồn cát Titan. Tuy nhiên, Yu và các đồng nghiệp của cô đã có thể sử dụng các chất tương tự do phòng thí nghiệm sản xuất để giải quyết những câu hỏi này, mặc dù thực tế là Cassini nhiệm vụ bây giờ đã kết thúc
Hơn nữa, nghiên cứu gần đây nhất này chắc chắn sẽ có giá trị to lớn khi các nhà khoa học tiếp tục khám phá Cassini Khai dữ liệu dự đoán về các nhiệm vụ trong tương lai với Titan. Những nhiệm vụ này nhằm mục đích nghiên cứu cồn cát Titan, hồ metan và hóa học hữu cơ phong phú chi tiết hơn. Như Yu đã giải thích:
Các kết quả của bạn không chỉ giúp hiểu được nguồn gốc của cồn cát và cát, mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho các nhiệm vụ đổ bộ tiềm năng trong tương lai trên Titan, như Dragonfly (một trong hai đề cử (trong số mười hai đề xuất) được chọn cho phát triển khái niệm hơn nữa bởi chương trình New Frontiers của NASA). Các tính chất vật chất của chất hữu cơ trên Titan thực sự có thể cung cấp manh mối đáng kinh ngạc để giải quyết một số bí ẩn trên Titan.
Trong một nghiên cứu chúng tôi đã công bố năm ngoái trên các hành tinh JGR (2017, 122, 2610 Hóa2622), chúng tôi đã phát hiện ra rằng lực liên hạt giữa các hạt tholin lớn hơn nhiều so với cát thông thường trên Trái đất, có nghĩa là các chất hữu cơ trên Titan nhiều hơn nhiều gắn kết (hoặc stickier) hơn cát silicat trên Trái đất. Điều này ngụ ý rằng chúng ta cần một tốc độ gió lớn hơn để thổi các hạt cát vào Titan, điều này có thể giúp các nhà nghiên cứu mô hình trả lời bí ẩn đầu tiên. Nó cũng gợi ý rằng cát Titan có thể được hình thành bằng cách đông tụ các hạt hữu cơ đơn giản trong khí quyển, vì chúng dễ dàng kết dính với nhau hơn nhiều. Điều này có thể giúp hiểu được bí ẩn thứ hai của cồn cát Titan.
Ngoài ra, nghiên cứu này có ý nghĩa đối với nghiên cứu về các cơ thể khác ngoài Titan. Chúng tôi đã tìm thấy chất hữu cơ trên nhiều cơ quan hệ mặt trời khác, đặc biệt là các cơ quan băng giá trong hệ mặt trời bên ngoài, như Sao Diêm Vương, Mặt trăng Sao Hải Triton và sao chổi 67P, Yu nói. Một số chất hữu cơ được sản xuất quang hóa tương tự như Titan. Và chúng tôi cũng đã tìm thấy các tính năng thổi gió (được gọi là các đặc điểm aeilian) trên các cơ thể đó, vì vậy kết quả của chúng tôi cũng có thể được áp dụng cho các cơ quan hành tinh này.
Trong thập kỷ tới, nhiều nhiệm vụ dự kiến sẽ khám phá các mặt trăng của Hệ Mặt trời bên ngoài và tiết lộ những điều về môi trường phong phú của chúng có thể giúp làm sáng tỏ nguồn gốc sự sống ở đây trên Trái đất. Ngoài ra, Kính viễn vọng không gian James Webb (hiện dự kiến sẽ được triển khai vào năm 2021) cũng sẽ sử dụng bộ công cụ tiên tiến của mình để nghiên cứu các hành tinh của Hệ Mặt Trời với hy vọng giải quyết những câu hỏi hóc búa này.
