ถึงแม้ว่า แคสสินี ยานอวกาศสิ้นสุดภารกิจเมื่อวันที่ 15 กันยายน 2017 ข้อมูลที่รวบรวมบนดาวเสาร์และดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุดคือไททันยังคงประหลาดใจและประหลาดใจ ในช่วงสิบสามปีที่มันใช้เวลาโคจรรอบดาวเสาร์และทำการบินของดวงจันทร์ยานสำรวจได้รวบรวมข้อมูลมากมายเกี่ยวกับชั้นบรรยากาศพื้นผิวทะเลสาบมีเธนและสภาพแวดล้อมอินทรีย์ที่อุดมสมบูรณ์ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังคงดำเนินต่อไป
ยกตัวอย่างเช่นมีเรื่องของ“ เนินทราย” ที่ลึกลับบนไททันซึ่งดูเหมือนจะเป็นอินทรีย์ในธรรมชาติและโครงสร้างและต้นกำเนิดยังคงเป็นปริศนา ทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยจอห์นฮอปกิ้นส์ (JHU) และ บริษัท วิจัย Nanomechanics ได้ทำการศึกษาเนินทรายของไททันเมื่อเร็ว ๆ นี้และได้ข้อสรุปว่าพวกมันน่าจะก่อตัวขึ้นในแถบเส้นศูนย์สูตรของไททัน
การศึกษาของพวกเขา“ ไททันแซนด์มาจากไหน: ข้อมูลเชิงลึกจากคุณสมบัติเชิงกลของผู้สมัครไททันแซนด์” เมื่อเร็ว ๆ นี้ปรากฏตัวทางออนไลน์และถูกส่งไปยัง วารสารการวิจัยธรณีฟิสิกส์: ดาวเคราะห์. การศึกษาครั้งนี้นำโดย Xinting Yu นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษากับภาควิชาธรณีวิทยาและดาวเคราะห์ (JEU) ที่ JHU และรวมถึงผู้ช่วยศาสตราจารย์ Sarah Horst (ที่ปรึกษาของ Yu) Chao He และ Patricia McGuiggan โดยได้รับการสนับสนุนจาก Bryan Crawford Nanomechanics Inc.
เพื่อแยกมันออกเนินทรายของ Titan นั้นถูกพบเห็นโดยครั้งแรก แคสสินี เครื่องมือเรดาร์ในภูมิภาคแชงกรีล่าใกล้กับเส้นศูนย์สูตร ภาพที่ได้จากการสอบสวนแสดงให้เห็นเป็นเส้นยาวสีเข้มเป็นเส้นตรงที่ดูเหมือนเนินทรายที่ถูกลมพัดคล้ายกับที่พบในโลก นับตั้งแต่การค้นพบของพวกเขานักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งทฤษฎีว่าพวกเขาประกอบด้วยเม็ดไฮโดรคาร์บอนที่ตกลงบนพื้นผิวจากชั้นบรรยากาศของไททัน
ในอดีตนักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าพวกมันก่อตัวขึ้นในบริเวณภาคเหนือรอบ ๆ ทะเลสาบมีเธนของไททันและถูกแจกจ่ายไปยังภูมิภาคเส้นศูนย์สูตรจากลมของดวงจันทร์ แต่ที่จริงแล้วเมล็ดเหล่านี้มาจากไหนและวิธีการกระจายเมล็ดในรูปแบบที่เหมือนเนินทรายเหล่านี้ยังคงเป็นปริศนา อย่างไรก็ตามตามที่ Yu อธิบายให้นิตยสารอวกาศทางอีเมลนั่นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของสิ่งที่ทำให้เนินทรายเหล่านี้ลึกลับ:
“ ก่อนอื่นไม่มีใครคาดว่าจะเห็นเนินทรายบนไททันก่อนภารกิจ Cassini-Huygens เพราะแบบจำลองการไหลเวียนทั่วโลกทำนายว่าความเร็วลมบนไททันนั้นอ่อนแอเกินกว่าที่จะระเบิดวัสดุให้กลายเป็นสัน อย่างไรก็ตามผ่าน Cassini เราเห็นทุ่งทรายเชิงเส้นกว้างใหญ่ที่ครอบคลุมเกือบ 30% ของพื้นที่เส้นศูนย์สูตรของไททัน!
“ ประการที่สองเราไม่แน่ใจว่าทรายเกิดจากไททันอย่างไรวัสดุทรายบนไททันแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากที่อยู่บนโลก บนโลกวัสดุทรายส่วนใหญ่เป็นเศษทรายซิลิเกตที่ผุกร่อนจากหินซิลิเกต ขณะที่อยู่บนไททันวัสดุทรายเป็นสารอินทรีย์ที่ซับซ้อนที่เกิดจากโฟโตเคมีในชั้นบรรยากาศตกลงไปที่พื้น การศึกษาแสดงให้เห็นว่าอนุภาคทรายมีขนาดใหญ่มาก (อย่างน้อย 100 ไมครอน) ในขณะที่อนุภาคเคมีที่เกิดจากโฟโตเคมียังมีขนาดค่อนข้างเล็กใกล้พื้นผิว (ประมาณ 1 ไมครอน) ดังนั้นเราจึงไม่แน่ใจว่าอนุภาคอินทรีย์ขนาดเล็กจะถูกเปลี่ยนเป็นอนุภาคทรายขนาดใหญ่ (คุณต้องการอนุภาคอินทรีย์ขนาดเล็กนับล้านเพื่อสร้างอนุภาคทรายเดียว!)
“ ประการที่สามเราไม่ทราบว่าอนุภาคอินทรีย์ในชั้นบรรยากาศถูกประมวลผลให้ใหญ่ขึ้นเพื่อก่อตัวเป็นอนุภาคทราย นักวิทยาศาสตร์บางคนคิดว่าอนุภาคเหล่านี้สามารถประมวลผลได้ทุกหนทุกแห่งเพื่อก่อตัวเป็นเนินทรายในขณะที่นักวิจัยคนอื่นเชื่อว่าการก่อตัวของพวกมันจำเป็นต้องเกี่ยวข้องกับของเหลวของไททัน (มีเธนและอีเทน) ซึ่งปัจจุบันตั้งอยู่เฉพาะในพื้นที่ขั้วโลกเท่านั้น”
เพื่อให้เข้าใจถึงเรื่องนี้ยูและเพื่อนร่วมงานของเธอได้ทำการทดลองแบบจำลองเพื่อจำลองวัสดุที่ขนส่งทั้งร่างกายบกและน้ำแข็ง สิ่งนี้ประกอบไปด้วยการใช้ทรายดินตามธรรมชาติหลายชนิดเช่นทรายชายหาดซิลิเกตทรายคาร์บอเนตและทรายยิปซั่มสีขาว ในการจำลองวัสดุชนิดต่าง ๆ ที่พบในไททันพวกเขาใช้ ธ อลินที่ผลิตในห้องปฏิบัติการซึ่งเป็นโมเลกุลของมีเธนที่ได้รับรังสียูวี
การผลิต tholins นั้นทำขึ้นมาโดยเฉพาะเพื่อสร้างชนิดของละอองลอยอินทรีย์และเงื่อนไขของโฟโตเคมีที่พบได้ทั่วไปบนไททัน สิ่งนี้ทำโดยใช้ระบบการทดลองดาวเคราะห์ (HAZE Research) (PHAZER) ที่มหาวิทยาลัยจอห์นฮอปกิ้นส์ซึ่งผู้วิจัยหลักคือ Sarah Horst ขั้นตอนสุดท้ายประกอบด้วยการใช้เทคนิค nanoidentification (ดูแลโดย Bryan Crawford ของ Nanometrics Inc. ) เพื่อศึกษาคุณสมบัติเชิงกลของทรายจำลองและ tholins
ประกอบด้วยการวางทรายจำลองและโทลินลงในอุโมงค์ลมเพื่อตรวจสอบความคล่องตัวและดูว่าพวกมันสามารถกระจายในรูปแบบเดียวกันได้หรือไม่ ในฐานะที่เป็น Yu อธิบาย:
“ แรงจูงใจเบื้องหลังการศึกษาคือพยายามตอบปริศนาที่สาม หากวัสดุทรายถูกประมวลผลผ่านของเหลวซึ่งตั้งอยู่ในบริเวณขั้วของไททันพวกมันจำเป็นต้องแข็งแรงพอที่จะเคลื่อนย้ายจากเสาไปยังบริเวณเส้นศูนย์สูตรของไททันซึ่งเป็นที่ตั้งของเนินทรายส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม tholins ที่เราผลิตในห้องปฏิบัติการนั้นมีปริมาณต่ำมาก: ความหนาของฟิล์ม tholin ที่เราผลิตนั้นมีเพียง 1 ไมครอน, ประมาณ 1 / 10-1 / 100 ของความหนาของเส้นผมมนุษย์ ในการจัดการกับสิ่งนี้เราใช้เทคนิคระดับนาโนที่น่าสนใจและแม่นยำมาก ๆ ที่เรียกว่านาโนเอ็นเทอเรชันเพื่อทำการตรวจวัด แม้ว่าเยื้องและรอยร้าวที่ผลิตจะอยู่ในระดับนาโนเมตร แต่เรายังสามารถกำหนดคุณสมบัติเชิงกลได้อย่างแม่นยำเช่นมอดุลัสของ Young (ตัวบ่งชี้ความแข็ง), ความแข็ง nanoindentation (ความแข็ง) และความเหนียวแตกหัก (ตัวบ่งชี้ความเปราะ) ของฟิล์มบาง”
ในท้ายที่สุดทีมได้พิจารณาแล้วว่าโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่พบในไททันนั้นนิ่มกว่าและเปราะมากเมื่อเทียบกับแม้แต่ทรายที่นิ่มที่สุดในโลก กล่าวง่ายๆว่า ธ อลินที่พวกเขาสร้างขึ้นนั้นไม่มีความสามารถในการเดินทางระยะทางอันยิ่งใหญ่ซึ่งอยู่ระหว่างทะเลสาบมีเธนทางตอนเหนือของไททันกับภูมิภาคเส้นศูนย์สูตร จากนี้พวกเขาสรุปว่าทรายอินทรีย์บนไททันน่าจะเกิดขึ้นใกล้กับที่ตั้งของพวกมัน
“ และการก่อตัวของมันอาจไม่เกี่ยวข้องกับของเหลวบนไททันเนื่องจากจะต้องใช้ระยะทางในการขนส่งมากกว่า 2,000 กิโลเมตรจากเสาของไททันไปยังเส้นศูนย์สูตร” Yu กล่าวเสริม “ อนุภาคอินทรีย์ที่อ่อนและเปราะจะถูกบดเป็นฝุ่นก่อนที่จะถึงเส้นศูนย์สูตร การศึกษาของเราใช้วิธีที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงและเสริมผลลัพธ์บางอย่างที่อนุมานจากการสำรวจของ Cassini”
ในท้ายที่สุดการศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นถึงทิศทางใหม่สำหรับนักวิจัยเมื่อมันมาถึงการศึกษาของไททันและหน่วยงานอื่น ๆ ในระบบสุริยะ ดังที่ Yu อธิบายไว้ในอดีตนักวิจัยมักถูก จำกัด ด้วย แคสสินี ข้อมูลและการสร้างแบบจำลองเพื่อตอบคำถามเกี่ยวกับเนินทรายของไททัน อย่างไรก็ตาม Yu และเพื่อนร่วมงานของเธอสามารถใช้ analogs ที่ผลิตในห้องปฏิบัติการเพื่อตอบคำถามเหล่านี้แม้จะมีความจริงที่ว่า แคสสินี ตอนนี้ภารกิจสิ้นสุดแล้ว
ยิ่งไปกว่านั้นการศึกษาล่าสุดนี้มั่นใจว่ามีมูลค่ามหาศาลเนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ยังคงเจาะรูขุมขนต่อไป แคสสินี ข้อมูลในการคาดการณ์ภารกิจในอนาคตที่ไททัน ภารกิจเหล่านี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาเนินทรายของไททันทะเลสาบมีเธนและเคมีอินทรีย์ที่เข้มข้นโดยละเอียด ในฐานะที่เป็น Yu อธิบาย:
“ ผลลัพธ์ O [ur] ไม่เพียง แต่ช่วยให้เข้าใจที่มาของเนินทรายและไททันของไททันเท่านั้น แต่ยังจะให้ข้อมูลที่สำคัญสำหรับภารกิจลงจอดในอนาคตบนไททันเช่น Dragonfly (หนึ่งในสองผู้เข้ารอบสุดท้าย (จาก 12 ข้อเสนอ) การพัฒนาแนวคิดเพิ่มเติมโดยโปรแกรม New Frontiers ของนาซ่า) คุณสมบัติทางวัตถุของสารอินทรีย์ในไททันสามารถให้เบาะแสที่น่าอัศจรรย์ในการแก้ปริศนาบางอย่างของไททัน
“ ในการศึกษาที่เราตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้วใน JGR-planets (2017, 122, 2610–2622) เราพบว่ากองกำลังของอนุภาคระหว่างอนุภาค tholin มีขนาดใหญ่กว่าทรายทั่วไปบนโลกซึ่งหมายความว่าสิ่งมีชีวิตบนไททันนั้นมีมากขึ้น เหนียว (หรือ stickier) กว่าทรายซิลิเกตบนโลก นี่หมายความว่าเราต้องการความเร็วลมที่มากขึ้นในการพัดอนุภาคทรายบนไททันซึ่งจะช่วยให้นักวิจัยการสร้างแบบจำลองเพื่อตอบปริศนาแรก นอกจากนี้ยังชี้ให้เห็นว่าหาดทรายของไททันสามารถเกิดขึ้นได้จากการจับตัวของอนุภาคอินทรีย์อย่างง่ายในชั้นบรรยากาศเนื่องจากพวกมันจะเกาะติดกันได้ง่ายกว่ามาก สิ่งนี้จะช่วยให้เข้าใจความลึกลับที่สองของเนินทรายของไททัน”
นอกจากนี้การศึกษาครั้งนี้มีความหมายสำหรับการศึกษาของร่างกายอื่นที่ไม่ใช่ไททัน “ เราได้พบสารอินทรีย์ในระบบสุริยะอื่น ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัตถุที่เป็นน้ำแข็งในระบบสุริยะรอบนอกเช่นพลูโต, Triton ดวงจันทร์ของเนปจูนและดาวหาง 67P” Yu กล่าว “ และสารอินทรีย์บางชนิดนั้นมีการผลิตทางแสงคล้ายกับไททัน และเราพบคุณสมบัติที่ถูกลมพัด (เรียกว่าคุณสมบัติแบบเอโอเลียน) บนร่างกายเหล่านั้นเช่นกันดังนั้นผลลัพธ์ของเราสามารถนำไปใช้กับร่างกายของดาวเคราะห์เหล่านี้ได้เช่นกัน”
ในทศวรรษที่ผ่านมาคาดว่าจะมีหลายภารกิจที่จะสำรวจดวงจันทร์ของระบบสุริยะรอบนอกและเปิดเผยสิ่งต่าง ๆ เกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่อุดมสมบูรณ์ซึ่งสามารถช่วยส่องแสงต้นกำเนิดของชีวิตบนโลกนี้ นอกจากนี้แล้ว กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (ตอนนี้คาดว่าจะนำไปใช้ในปี 2021) จะใช้ชุดเครื่องมือขั้นสูงเพื่อศึกษาดาวเคราะห์ของระบบสุริยะเพื่อหวังตอบคำถามเผาไหม้เหล่านี้
