В земной лаборатории воссоздали атмосферу Титана

Крупнейший спутник Сатурна считается одним из самых перспективных мест в Солнечной системе для поиска внеземной жизни.

Благодаря новому исследованию, проведенному технологическим гигантом IBM, международной команде ученых удалось воссоздать атмосферные условия на Титане в земной лаборатории.

Большая часть из того, что мы знаем о Титане сегодня, связана с космическим кораблем «Кассини». Он вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2017 год и завершил свою миссию, погрузившись в атмосферу этой планеты.

За это время «Кассини» провел множество прямых измерений атмосферы Титана, выявив среду, удивительно похожую на земную. Титан — единственное другое тело в Солнечной системе, в котором есть плотная азотная атмосфера и происходят органические процессы.

Космический аппарат «Кассини» смотрит на ночную сторону самого большого спутника Сатурна и наблюдает, как солнечный свет рассеивается через периферию атмосферы Титана, образуя цветное кольцо

Ученые считают, что примерно 2,8 миллиарда лет назад атмосфера Земли могла быть похожей на атмосферу титана. Это соответствует мезоархейской эре — периоду, когда фотосинтезирующие цианобактерии создали первые системы рифов и медленно преобразовывали атмосферный углекислый газ Земли в газообразный кислород. В конечном итоге этот процесс привел к нынешнему балансу азота и кислорода.

Считается, что поверхность Титана содержит подсказки, которые могут улучшить наше понимание того, как возникла жизнь в Солнечной системе. Однако получить четкое представление об этой поверхности будет проблемой. Причина этого связана с атмосферой Титана, которая пронизана плотной фотохимической дымкой, рассеивающей свет.

«Мгла Титана создана из наночастиц, состоящих из множества крупных и сложных органических молекул, которые содержат 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», — Натали Карраско и Лео Гросс, соавторы исследования.

В результате ученые до сих пор многого не знают о процессах, управляющих атмосферой Титана, включая точную химическую структуру больших молекул, составляющих эту дымку. В течение десятилетий астрохимики проводили лабораторные эксперименты с аналогичными органическими молекулами, известными как толины. Название этого термина происходит от греческого слова θολός, что означает «мутный».

Толины относятся к широкому спектру органических углеродсодержащих соединений, которые образуются при воздействии солнечного ультрафиолета или космических лучей. Эти молекулы распространены во внешней части Солнечной системы и обычно встречаются в ледяных телах, где поверхностный слой содержит метановый лед, подвергающийся воздействию радиации. На их присутствие указывает красноватая поверхность или пятна цвета сепии.

Ради своего исследования ученые провели эксперимент, в котором они наблюдали толины на различных стадиях образования в лабораторных условиях.

«Мы залили сосуд из нержавеющей стали смесью метана и азота, а затем запустили химические реакции с помощью электрического разряда, имитируя тем самым условия в атмосфере Титана. Затем мы проанализировали более 100 образовавшихся молекул, составляющих толины Титана, в нашей лаборатории в Цюрихе. Мы получили изображения с атомным разрешением около десятка из них с помощью низкотемпературного атомно-силового микроскопа», — Натали Карраско и Лео Гросс.

Анализируя молекулы разных размеров, команда получила представление о различных стадиях роста этих молекул, а также об их химическом составе. По сути, они наблюдали ключевой компонент атмосферы Титана, когда она формировалась и накапливалась, создавая знаменитый эффект дымки этого небесного тела.

Результаты ученых могут пролить свет на загадочный гидрологический цикл Титана. На Земле этот цикл состоит из перехода воды из газообразного состояния (водяной пар) в жидкое состояние (дождь и поверхностная вода). На Титане тот же цикл имеет место с метаном, который переходит из атмосферного метана в газ и выпадает в виде метанового дождя, образуя углеводородные озера.

Устройство PAMPRE, в котором моделируется атмосфера Титана

В этом случае результаты исследовательской группы могут выявить роль, которую химическая дымка играет в метановом цикле Титана, включая то, могут ли эти наночастицы плавать на его метановых озерах. Кроме того, эти открытия могут показать, могли ли подобные атмосферные аэрозоли способствовать появлению жизни на Земле миллиарды лет назад.

«Молекулярные структуры, которые мы сейчас видим, известны как хорошие поглотители ультрафиолетового света. Это, в свою очередь, означает, что дымка могла действовать как щит, защищающий молекулы ДНК на ранней поверхности Земли от разрушающего излучения», — Натали Карраско и Лео Гросс.

Если эта теория верна, выводы группы не только помогут ученым понять условия, в которых возникла жизнь здесь, на Земле, они также могут указать на возможное существование жизни на Титане.

К 2030-м годам NASA планирует отправить на Титан космический аппарат под названием Dragonfly, который исследует поверхность луны и поищет признаки жизни.