على الرغم من أن كاسينيالمدار أنهت مهمتها في 15 سبتمبر 2017 ، البيانات التي جمعتها عن زحل وأكبر قمر له ، تيتان ، لا يزال يذهل ويدهش. خلال الثلاثة عشر عامًا التي قضاها في الدوران حول زحل وإجراء تحليق من أقماره ، جمع المسبار ثروة من البيانات حول الغلاف الجوي لتيتان ، وسطحه ، وبحيرات الميثان ، والبيئة العضوية الغنية التي يواصل العلماء مسحها.
على سبيل المثال ، هناك مسألة 'الكثبان الرملية' الغامضة على تيتان ، والتي يبدو أنها عضوية بطبيعتها والتي لا يزال هيكلها وأصولها لغزا. لمعالجة هذه الألغاز ، قام فريق من العلماء من جامعة جون هوبكنز (JHU) وشركة الأبحاث ميكانيكا النانو أجريت مؤخرا دراسة من كثبان تيتان واستنتج أنها تشكلت على الأرجح في مناطق تيتان الاستوائية.
دراستهم ، ' من أين أتت Titan Sand: نظرة من الخواص الميكانيكية لمرشحي Titan Sand '، ظهر مؤخرًا على الإنترنت وتم إرساله إلىمجلة البحوث الجيوفيزيائية: الكواكب.قاد الدراسة Xinting Yu ، طالبة دراسات عليا في قسم علوم الأرض والكواكب (EPS) في JHU ، وضمت الأستاذة المساعدة في EPS سارة هورست (مستشارة يو) تشاو هي ، وباتريشيا ماكجيجان ، بدعم من بريان كروفورد من جامعة جونز هوبكنز. شركة ميكانيكا النانو
لكسرها ، كانت الكثبان الرملية لتيتان رصدت أصلا من قبلكاسينيأجهزة الرادار في منطقة Shangri-La بالقرب من خط الاستواء. وأظهرت الصور التي حصل عليها المسبار خطوطًا طويلة وخطية داكنة تشبه الكثبان التي اجتاحت الرياح شبيهة بتلك الموجودة على الأرض. منذ اكتشافهم ، وضع العلماء نظرية مفادها أنها تتكون من حبيبات الهيدروكربونات التي استقرت على السطح من الغلاف الجوي لتيتان.
في الماضي ، توقع العلماء أنها تتكون في المناطق الشمالية حول بحيرات الميثان في تيتان ويتم توزيعها على المنطقة الاستوائية بواسطة رياح القمر. لكن من أين أتت هذه الحبوب فعليًا ، وكيف تم توزيعها في هذه التكوينات الشبيهة بالكثبان ، ظل لغزًا. ومع ذلك ، كما أوضح يو لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني ، فإن هذا ليس سوى جزء مما يجعل هذه الكثبان الرملية غامضة:
'أولاً ، لم يتوقع أحد رؤية أي كثبان رملية على تيتان قبل مهمة كاسيني-هيغنز ، لأن نماذج الدوران العالمية تنبأت أن سرعات الرياح على تيتان أضعف من أن تنفخ المواد لتكوين الكثبان الرملية. ومع ذلك ، من خلال كاسيني رأينا حقول كثبان خطية شاسعة تغطي ما يقرب من 30٪ من المناطق الاستوائية في تيتان!
ثانيًا ، لسنا متأكدين من كيفية تشكل رمال تيتان ، فالكثبان الرملية على تيتان تختلف تمامًا عن تلك الموجودة على الأرض. على الأرض ، تتكون مواد الكثبان الرملية بشكل أساسي من شظايا رمل السيليكات التي تعرضت للعوامل الجوية من صخور السيليكات. أثناء وجود الكثبان الرملية على تيتان ، هي مواد عضوية معقدة تشكلت بواسطة الكيمياء الضوئية في الغلاف الجوي ، وتسقط على الأرض. تظهر الدراسات أن جزيئات الكثبان الرملية كبيرة جدًا (100 ميكرون على الأقل) ، في حين أن الجزيئات العضوية المتكونة من الكيمياء الضوئية لا تزال صغيرة جدًا بالقرب من السطح (حوالي 1 ميكرون فقط). لذلك لسنا متأكدين من كيفية تحول الجزيئات العضوية الصغيرة إلى جزيئات الكثبان الرملية الكبيرة (تحتاج إلى مليون جزيء عضوي صغير لتشكيل جسيم رمل واحد!)
ثالثًا ، نحن أيضًا لا نعرف أين تتم معالجة الجزيئات العضوية في الغلاف الجوي لتصبح أكبر لتشكيل جزيئات الكثبان الرملية. يعتقد بعض العلماء أن هذه الجسيمات يمكن معالجتها في كل مكان لتكوين جزيئات الكثبان الرملية ، بينما يعتقد بعض الباحثين الآخرين أن تكوينها يجب أن يكون متورطًا مع سوائل تيتان (الميثان والإيثان) ، والتي توجد حاليًا في المناطق القطبية فقط '.
كثبان على تيتان شوهدت في رادار كاسيني (في الأعلى) تشبه الكثبان الرملية الناميبية على الأرض. الميزات التي تبدو وكأنها غيوم في الصورة العلوية هي في الواقع ميزات طبوغرافية. الائتمان: ناسا
لتسليط الضوء على هذا ، أجرت يو وزملاؤها سلسلة من التجارب لمحاكاة المواد التي يتم نقلها على كل من الأجسام الأرضية والجليدية. يتألف هذا من استخدام العديد من رمال الأرض الطبيعية ، مثل رمال الشاطئ السيليكات ، ورمل الكربونات ، ورمل الجبس الأبيض. لمحاكاة أنواع المواد الموجودة على تيتان ، استخدموا الثولين المُنتَج في المختبر ، وهو جزيئات الميثان التي تعرضت للأشعة فوق البنفسجية.
تم إجراء إنتاج الثولين على وجه التحديد لإعادة إنشاء أنواع الهباء الجوي العضوي وظروف الكيمياء الضوئية الشائعة في تيتان. تم إجراء ذلك باستخدام النظام التجريبي لأبحاث الكواكب HAZE Research (PHAZER) في جامعة جونز هوبكنز - والذي كانت الباحثة الرئيسية فيه سارة هورست. تتألف الخطوة الأخيرة من استخدام تقنية تحديد النانو (التي أشرف عليها بريان كروفورد من شركة نانومتريكس) لدراسة الخواص الميكانيكية لمحاكاة الرمال والثولين.
يتألف هذا من وضع المحاكيات الرملية والثيولين في نفق هوائي لتحديد قدرتها على الحركة ومعرفة ما إذا كان يمكن توزيعها بنفس الأنماط. كما أوضح يو:
الدافع وراء الدراسة هو محاولة الإجابة على اللغز الثالث. إذا تمت معالجة مواد الكثبان الرملية من خلال السوائل الموجودة في المناطق القطبية لتيتان ، فيجب أن تكون قوية بما يكفي ليتم نقلها من القطبين إلى المناطق الاستوائية في تيتان ، حيث توجد معظم الكثبان الرملية. ومع ذلك ، فإن الثولين الذي قمنا بإنتاجه في المختبر بكميات منخفضة للغاية: سمك غشاء الثولين الذي أنتجناه يبلغ حوالي 1 ميكرون فقط ، أي حوالي 1 / 10-1 / 100 من سماكة شعر الإنسان. للتعامل مع هذا ، استخدمنا تقنية دقيقة للغاية ومثيرة للاهتمام تسمى nanoindentation لإجراء القياسات. على الرغم من أن المسافات البادئة والشقوق الناتجة كلها في مقاييس نانومترية ، لا يزال بإمكاننا تحديد الخواص الميكانيكية بدقة مثل معامل يونغ (مؤشر الصلابة) ، وصلابة المسافة النانوية (الصلابة) ، وصلابة الكسر (مؤشر الهشاشة) للغشاء الرقيق. '
صورة الرادار للكثبان الرملية على تيتان. الائتمان: NASA / JPL – Caltech / ASI / ESA و USGS / ESA
في النهاية ، قرر الفريق أن الجزيئات العضوية الموجودة على تيتان هي أكثر نعومة وهشاشة عند مقارنتها حتى بأنعم الرمال على الأرض. ببساطة ، لا يبدو أن الثولينات التي أنتجوها تتمتع بالقوة اللازمة للسفر عبر المسافة الهائلة التي تقع بين بحيرات الميثان الشمالية في تيتان والمنطقة الاستوائية. من هذا ، خلصوا إلى أن الرمال العضوية على تيتان من المحتمل أن تكون قد تشكلت بالقرب من مكان وجودها.
وأضاف يو: 'قد لا يشمل تكوينها سوائل على تيتان ، لأن ذلك سيتطلب مسافة نقل ضخمة تزيد عن 2000 كيلومتر من قطبي تيتان إلى خط الاستواء'. 'الجسيمات العضوية اللينة والهشة سوف تطحن إلى الغبار قبل أن تصل إلى خط الاستواء. استخدمت دراستنا طريقة مختلفة تمامًا وعززت بعض النتائج المستخلصة من ملاحظات كاسيني '.
في النهاية ، تمثل هذه الدراسة اتجاهًا جديدًا للباحثين عندما يتعلق الأمر بدراسة تيتان والأجسام الأخرى في النظام الشمسي. كما أوضح يو ، في الماضي ، كان الباحثون مقيدون في الغالبكاسينيالبيانات والنمذجة للإجابة على أسئلة حول الكثبان الرملية لتيتان. ومع ذلك ، تمكنت Yu وزملاؤها من استخدام نظائرها المخبرية للإجابة على هذه الأسئلة ، على الرغم من حقيقة أنكاسينيالمهمة الآن في نهايتها.
علاوة على ذلك ، من المؤكد أن هذه الدراسة الأحدث ستكون ذات قيمة هائلة مع استمرار العلماء في التفكيركاسينيتحسبًا لبعثات مستقبلية إلى تيتان. تهدف هذه البعثات إلى دراسة الكثبان الرملية في تيتان وبحيرات الميثان والكيمياء العضوية الغنية بمزيد من التفصيل. كما أوضح يو:
'[O] لا يمكن أن تساعد نتائجك في فهم أصل الكثبان الرملية والرمال على تيتان فحسب ، بل ستوفر أيضًا معلومات مهمة لمهام الهبوط المستقبلية المحتملة على تيتان ، مثل Dragonfly (أحد اثنين من المتأهلين للتصفيات النهائية (من بين اثني عشر اقتراحًا) تم اختيارهم من أجل مزيد من تطوير المفهوم من خلال برنامج الحدود الجديدة التابع لناسا). يمكن لخصائص المواد العضوية على تيتان أن تقدم بالفعل أدلة مذهلة لحل بعض الألغاز على تيتان.
'في دراسة نشرناها العام الماضي في JGR-planets (2017 ، 122 ، 2610-2622) ، اكتشفنا أن القوى بين الجسيمات بين جسيمات الثولين أكبر بكثير من الرمال الشائعة على الأرض ، مما يعني أن المواد العضوية على تيتان أكثر بكثير متماسك (أو أكثر لزوجة) من رمال السيليكات على الأرض. هذا يعني أننا بحاجة إلى سرعة رياح أكبر لتفجير جزيئات الرمال على تيتان ، مما قد يساعد الباحثين في النمذجة على الإجابة على اللغز الأول. كما يقترح أيضًا أن رمال تيتان يمكن أن تتشكل عن طريق التخثر البسيط للجسيمات العضوية في الغلاف الجوي ، نظرًا لأنه من الأسهل بكثير الالتصاق ببعضها البعض. هذا يمكن أن يساعد في فهم اللغز الثاني للكثبان الرملية لتيتان '.
يتم نشر مفهوم الفنان عن اليعسوب في تيتان والبدء في مهمة الاستكشاف. الائتمان: APL / مايكل كارول
بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه الدراسة لها آثار على دراسة الأجسام الأخرى غير تيتان. قال يو: 'لقد وجدنا مواد عضوية في العديد من أجسام النظام الشمسي الأخرى ، وخاصة الأجسام الجليدية في النظام الشمسي الخارجي ، مثل بلوتو ، وقمر نبتون تريتون ، والمذنب 67P'. ويتم إنتاج بعض المواد العضوية ضوئيًا بطريقة مشابهة لمادة تايتان. كما وجدنا ميزات الرياح (تسمى السمات الإيولية) على تلك الأجسام أيضًا ، لذلك يمكن تطبيق نتائجنا على هذه الأجسام الكوكبية أيضًا '.
في العقد القادم ، من المتوقع أن تستكشف بعثات متعددة أقمار النظام الشمسي الخارجي وتكشف أشياء عن بيئاتها الغنية التي يمكن أن تساعد في إلقاء الضوء على أصول الحياة هنا على الأرض. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تلسكوب جيمس ويب الفضائي (من المتوقع الآن أن يتم نشرها في عام 2021) ستستخدم أيضًا مجموعتها المتطورة من الأدوات لدراسة كواكب النظام الشمسي على أمل معالجة هذه الأسئلة الملتهبة.
قراءة متعمقة: arXiv