A pesar de Cassini El orbitador finalizó su misión el 15 de septiembre de 2017, los datos que recopiló sobre Saturno y su luna más grande, Titán, siguen asombrando y asombrando. Durante los trece años que pasó orbitando Saturno y realizando sobrevuelos de sus lunas, la sonda reunió una gran cantidad de datos sobre la atmósfera, la superficie, los lagos de metano y el rico entorno orgánico de Titán que los científicos continúan estudiando.
Por ejemplo, está el asunto de las misteriosas "dunas de arena" en Titán, que parecen ser de naturaleza orgánica y cuya estructura y orígenes siguen siendo un misterio. Para abordar estos misterios, un equipo de científicos de la Universidad John Hopkins (JHU) y la compañía de investigación Nanomechanics realizaron recientemente un estudio de las dunas de Titán y concluyeron que probablemente se formaron en las regiones ecuatoriales de Titán.
Su estudio, "¿De dónde viene Titan Sand: información de las propiedades mecánicas de los candidatos de Titan Sand", recientemente apareció en línea y ha sido presentado al Revista de Investigación Geofísica: Planetas. El estudio fue dirigido por Xinting Yu, un estudiante graduado del Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias (EPS) de JHU, e incluyó a los profesores asistentes de EPS Sarah Horst (asesor de Yu) Chao He y Patricia McGuiggan, con el apoyo brindado por Bryan Crawford de Nanomechanics Inc.
Para descomponerlo, las dunas de arena de Titán fueron vistos originalmente por Cassini instrumentos de radar en la región de Shangri-La cerca del ecuador. Las imágenes que obtuvo la sonda mostraban rayas oscuras largas y lineales que parecían dunas barridas por el viento similares a las encontradas en la Tierra. Desde su descubrimiento, los científicos han teorizado que están compuestos por granos de hidrocarburos que se han asentado en la superficie de la atmósfera de Titán.
En el pasado, los científicos han conjeturado que se forman en las regiones del norte alrededor de los lagos de metano de Titán y que los vientos de la luna los distribuyen a la región ecuatorial. Pero de dónde provienen estos granos y cómo se distribuyeron en estas formaciones de dunas, sigue siendo un misterio. Sin embargo, como Yu explicó a Space Magazine por correo electrónico, eso es solo una parte de lo que hace misteriosas estas dunas:
“Primero, nadie esperaba ver dunas de arena en Titán antes de la misión Cassini-Huygens, porque los modelos de circulación global predijeron que las velocidades del viento en Titán son demasiado débiles para soplar los materiales para formar dunas. Sin embargo, a través de Cassini vimos vastos campos de dunas lineales que cubren casi el 30% de las regiones ecuatoriales de Titán.
"Segundo, no estamos seguros de cómo se forman las arenas de Titán. Los materiales de dunas en Titán son completamente diferentes de los de la Tierra. En la Tierra, los materiales de dunas son principalmente fragmentos de arena de silicato degradados de rocas de silicato. Mientras está en Titán, los materiales de dunas son compuestos orgánicos complejos formados por la fotoquímica en la atmósfera, que caen al suelo. Los estudios muestran que las partículas de duna son bastante grandes (al menos 100 micras), mientras que las partículas orgánicas formadas por fotoquímica siguen siendo bastante pequeñas cerca de la superficie (solo alrededor de 1 micra). Por lo tanto, no estamos seguros de cómo las pequeñas partículas orgánicas se transforman en las grandes partículas de dunas de arena (¡necesita un millón de pequeñas partículas orgánicas para formar una sola partícula de arena!)
"En tercer lugar, tampoco sabemos dónde se procesan las partículas orgánicas en la atmósfera para hacerse más grandes y formar las partículas de duna". Algunos científicos piensan que estas partículas pueden procesarse en todas partes para formar las partículas de dunas, mientras que otros investigadores creen que su formación debe estar involucrada con los líquidos de Titán (metano y etano), que actualmente se encuentran solo en las regiones polares ".
Para arrojar luz sobre esto, Yu y sus colegas realizaron una serie de experimentos para simular materiales transportados en cuerpos terrestres y helados. Esto consistió en usar varias arenas naturales de la Tierra, como arena de playa de silicato, arena de carbonato y arena de yeso blanco. Para simular los tipos de materiales encontrados en Titán, utilizaron tolinas producidas en laboratorio, que son moléculas de metano que han sido sometidas a radiación UV.
La producción de tholins se realizó específicamente para recrear los tipos de aerosoles orgánicos y las condiciones fotoquímicas que son comunes en Titán. Esto se realizó utilizando el sistema experimental Planetary HAZE Research (PHAZER) en la Universidad Johns Hopkins, para el cual la investigadora principal es Sarah Horst. El último paso consistió en utilizar una técnica de nanoidentificación (supervisada por Bryan Crawford de Nanometrics Inc.) para estudiar las propiedades mecánicas de las arenas y los tholins simulados.
Esto consistió en colocar los simuladores de arena y los tholins en un túnel de viento para determinar su movilidad y ver si podían distribuirse en los mismos patrones. Como Yu explicó:
“La motivación detrás del estudio es tratar de responder al tercer misterio. Si los materiales de las dunas se procesan a través de líquidos, que se encuentran en las regiones polares de Titán, deben ser lo suficientemente fuertes como para ser transportados desde los polos a las regiones ecuatoriales de Titán, donde se encuentran la mayoría de las dunas. Sin embargo, las tholins que produjimos en el laboratorio están en cantidades extremadamente bajas: el grosor de la película de tholin que produjimos es de solo alrededor de 1 micra, aproximadamente 1 / 10-1 / 100 del grosor del cabello humano. Para hacer frente a esto, utilizamos una técnica de nanoescala muy intrigante y precisa llamada nanoindentación para realizar las mediciones. A pesar de que las hendiduras y grietas producidas se encuentran en escalas nanométricas, aún podemos determinar con precisión las propiedades mecánicas como el módulo de Young (indicador de rigidez), la dureza de nanoindentación (dureza) y la resistencia a la fractura (indicador de fragilidad) de la película delgada ".
Al final, el equipo determinó que las moléculas orgánicas encontradas en Titán son mucho más suaves y frágiles en comparación con las arenas más suaves de la Tierra. En pocas palabras, los tholins que producían no parecían tener la fuerza para viajar la inmensa distancia que se encuentra entre los lagos de metano del norte de Titán y la región ecuatorial. A partir de esto, concluyeron que las arenas orgánicas en Titán probablemente se forman cerca de donde se encuentran.
"Y su formación puede no involucrar líquidos en Titán, ya que eso requeriría una gran distancia de transporte de más de 2000 kilómetros desde los polos del Titán hasta el ecuador", agregó Yu. “Las partículas orgánicas suaves y quebradizas se convertirían en polvo antes de llegar al ecuador. Nuestro estudio utilizó un método completamente diferente y reforzó algunos de los resultados inferidos de las observaciones de Cassini ".
Al final, este estudio representa una nueva dirección para los investigadores cuando se trata del estudio de Titán y otros cuerpos en el Sistema Solar. Como explicó Yu, en el pasado, los investigadores estaban principalmente limitados con Cassini datos y modelos para responder preguntas sobre las dunas de arena de Titán. Sin embargo, Yu y sus colegas pudieron usar análogos producidos en laboratorio para abordar estas preguntas, a pesar de que el Cassini La misión ahora está llegando a su fin.
Además, este estudio más reciente seguramente será de gran valor a medida que los científicos continúen estudiando detenidamente Cassini datos en previsión de futuras misiones a Titán. Estas misiones tienen como objetivo estudiar las dunas de arena de Titán, los lagos de metano y la rica química orgánica con más detalle. Como Yu explicó:
"[N] nuestros resultados no solo pueden ayudar a comprender el origen de las dunas y arenas de Titán, sino que también proporcionarán información crucial para posibles futuras misiones de aterrizaje en Titán, como Dragonfly (uno de los dos finalistas (de doce propuestas) seleccionados para desarrollo adicional del concepto por el programa New Frontiers de la NASA). Las propiedades materiales de los orgánicos en Titán en realidad pueden proporcionar pistas sorprendentes para resolver algunos de los misterios en Titán.
“En un estudio que publicamos el año pasado en planetas JGR (2017, 122, 2610–2622), descubrimos que las fuerzas interpartículas entre las partículas de tholin son mucho más grandes que la arena común en la Tierra, lo que significa que los orgánicos en Titán son mucho más cohesivo (o más pegajoso) que las arenas de silicato en la Tierra. Esto implica que necesitamos una mayor velocidad del viento para soplar las partículas de arena en Titán, lo que podría ayudar a los investigadores de modelos a responder el primer misterio. También sugiere que las arenas de Titán podrían formarse por simple coagulación de partículas orgánicas en la atmósfera, ya que son mucho más fáciles de unir. Esto podría ayudar a comprender el segundo misterio de las dunas de arena de Titán ".
Además, este estudio tiene implicaciones para el estudio de otros cuerpos además de Titán. "Hemos encontrado elementos orgánicos en muchos otros cuerpos del sistema solar, especialmente cuerpos helados en el sistema solar exterior, como Plutón, la luna Tritón de Neptuno y el cometa 67P", dijo Yu. “Y algunos de los compuestos orgánicos se producen fotoquímicamente de manera similar a Titán. Y también encontramos características sopladas por el viento (llamadas características eólicas) en esos cuerpos, por lo que nuestros resultados también podrían aplicarse a estos cuerpos planetarios ”.
En la próxima década, se espera que múltiples misiones exploren las lunas del Sistema Solar exterior y revelen cosas sobre sus ricos entornos que podrían ayudar a arrojar luz sobre los orígenes de la vida aquí en la Tierra. además, el Telescopio espacial James Webb (ahora se espera que se implemente en 2021) también usará su avanzado juego de instrumentos para estudiar los planetas del Sistema Solar con la esperanza de abordar estas preguntas candentes.
