;
Наука 25 февраля 2021

Атмосфера Титана воссоздана в лаборатории на Земле

Далее

Титан, самый большой спутник Сатурна — еще один кандидат на наличие жизни, из-за того, что между атмосферой и поверхностью происходят все виды реакций органической химии. В течение некоторого времени ученые подозревали, что изучение атмосферы Титана может дать важные ключи к разгадке ранних стадий эволюции жизни на Земле. Благодаря новому исследованию, проведенному технологическим гигантом IBM, команде исследователей удалось воссоздать атмосферные условия на Титане в лаборатории.

Ученые считают, что лучшее место для поиска доказательств внеземной жизни — это Марс. Однако это далеко не единственное место. Помимо множества внесолнечных планет, которые были определены как «потенциально обитаемые», прямо здесь, в нашей Солнечной системе, есть множество других кандидатов. К ним относятся многие ледяные спутники, которые, как считается, имеют внутренние океаны, в которых может быть жизнь.

Многое из того, что мы знаем о Титане сегодня, связано с космическим кораблем «Кассини», который вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2017 год и завершил свою миссию, погрузившись в атмосферу планеты. За это время «Кассини» провел множество прямых измерений атмосферы Титана, обнаружив удивительно похожую на Землю среду. По сути, это единственное другое тело в Солнечной системе, в котором есть плотная азотная атмосфера и происходят органические процессы.

Что особенно интересно, так это то, что ученые считают, что примерно 2,8 миллиарда лет назад атмосфера Земли могла быть похожей. Это совпадает с мезоархейской эрой, периодом, когда фотосинтезирующие цианобактерии создали первые системы рифов и медленно преобразовали атмосферный углекислый газ Земли в газообразный кислород (что в конечном итоге привело к нынешнему балансу азота и кислорода).

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

«Мгла Титана состоит из наночастиц, состоящих из самых разных 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».

Лео Гросс и Натали Карраско, IBM

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 — термин, производный от греческого слова «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 румяная поверхность или пятна цвета сепии.

Ради своего исследования группа под руководством Шульца и Майяра провела 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 инициировали химические реакции посредством электрического разряда, имитируя тем самым условия в атмосфере Титана. Затем мы проанализировали более 100 полученных молекул, составляющих толины Титана, в нашей лаборатории в Цюрихе, получив изображения примерно десятка из них с атомным разрешением, полученные с помощью нашего самодельного низкотемпературного атомно-силового микроскопа».

Лео Гросс и Натали Карраско, IBM

Разбирая молекулы разных размеров, команда получила представление о различных стадиях роста этих молекул, а также о том, как выглядит их химический состав. По сути, они наблюдали ключевой компонент атмосферы Титана, когда она формировалась и накапливалась, создавая знаменитый эффект тумана.

Ученые впервые наблюдали молекулярную архитектуру синтетических соединений, аналогичную тем, которые, как считается, вызывают оранжевую дымку атмосферы Титана. Более того, их результаты могут пролить свет на загадочный гидрологический цикл, основанный на метане. 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 происходит с метаном, который переходит из атмосферного метана и выпадает в виде метанового дождя, образуя знаменитые углеводородные озера.

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, помогли ли подобные атмосферные аэрозоли появиться жизни на Земле миллиарды лет назад.

Молекулярные структуры 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.

К 2030-м годам НАСА планирует отправить на Титан роботизированный винтокрыл под названием Dragonfly, чтобы исследовать его поверхность и атмосферу и искать возможные признаки жизни. Как всегда, теоретическая работа и лабораторные эксперименты, проведенные тем временем, позволят ученым сузить фокус и увеличить шансы на то, что миссия как только прибудет, найдет то, что ищет.

Читайте также:

Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят

Ученые обнаружили предел скорости в квантовом мире

Загрузка...