De omgeving op Titan, De grootste maan van Saturnus, lijkt misschien verrassend bekend:wolken condenseren en regenen neer op het oppervlak, het voeden van rivieren die uitmonden in oceanen en meren. Buiten de aarde, Titan is het enige andere planetaire lichaam in het zonnestelsel met actief stromende rivieren, hoewel ze worden gevoed door vloeibaar methaan in plaats van water. Lang geleden, Mars herbergde ook rivieren, die valleien schuurde over het nu dorre oppervlak.

Nu hebben MIT-wetenschappers ontdekt dat ondanks deze overeenkomsten, de oorsprong van de topografie, of oppervlakte verhogingen, op Mars en Titan zijn heel anders dan die op aarde.

In een paper gepubliceerd in Wetenschap , de onderzoekers melden dat Titan, zoals Mars maar anders dan de aarde, heeft in het recente verleden geen actieve platentektoniek ondergaan. De omwenteling van bergen door platentektoniek doet de paden die rivieren nemen ombuigen. Het team ontdekte dat deze veelbetekenende handtekening ontbrak in riviernetwerken op Mars en Titan.

"Hoewel de processen die de topografie van Titan hebben gecreëerd nog steeds raadselachtig zijn, dit sluit enkele van de mechanismen uit waarmee we op aarde het meest vertrouwd zijn, " zegt hoofdauteur Benjamin Black, voorheen een MIT-afgestudeerde student en nu een assistent-professor aan het City College van New York.

In plaats daarvan, de auteurs suggereren dat de topografie van Titan kan groeien door processen zoals veranderingen in de dikte van de ijzige korst van de maan, vanwege de getijden van Saturnus.

De studie werpt ook enig licht op de evolutie van het landschap op Mars, die ooit een enorme oceaan en rivieren van water herbergde. Het MIT-team levert bewijs dat de belangrijkste kenmerken van de topografie van Mars heel vroeg in de geschiedenis van de planeet zijn gevormd, het beïnvloeden van de paden van jongere riviersystemen, zelfs toen vulkaanuitbarstingen en asteroïde-inslagen het oppervlak van de planeet littekenden.

"Het is opmerkelijk dat er drie werelden in het zonnestelsel zijn waar stromende rivieren in het landschap zijn uitgehouwen, nu of in het verleden, " zegt Taylor Perron, universitair hoofddocent geologie bij MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS). "Er is een geweldige kans om de landvormen die de rivieren hebben gecreëerd te gebruiken om te leren hoe de geschiedenis van deze werelden anders is."

Tot de co-auteurs van Perron en Black behoren de voormalige MIT-student Elizabeth Bailey en onderzoekers van de University of California in Berkeley, de Universiteit van Californië in Santa Cruz, en Stanford-universiteit.

Fuzzy stromen

Sinds 2004, NASA's Cassini-ruimtevaartuig cirkelt rond Saturnus en stuurt verbluffende beelden van de ringen en manen van de planeet terug naar de aarde. Beelden van het oppervlak van Titan hebben wetenschappers een eerste blik gegeven op de rivierdalen van de maan, glooiende zandduinen, en actieve weerpatronen. Cassini heeft ook ruwe metingen gedaan van de topografie van Titan op sommige locaties, hoewel deze metingen een veel grovere resolutie hebben.

Perron en Black vroegen zich af of ze hun kijk op de topografie van Titan zouden kunnen verfijnen door toe te passen wat bekend is over de topografie op aarde en Mars, en hoe hun rivieren zijn geëvolueerd.

Bijvoorbeeld, op aarde, het proces van platentektoniek heeft het landschap voortdurend hervormd, bergketens omhoog duwen tussen botsende continentale platen, en het openen van oceaanbekkens terwijl landmassa's langzaam uit elkaar trekken. Rivieren, daarom, zich voortdurend aanpassen aan veranderingen in de topografie, omzeilen rond groeiende bergketens om de oceaan te bereiken.

Mars, anderzijds, wordt verondersteld vooral gevormd te zijn tijdens de periode van primordiale aanwas en het zogenaamde Late Heavy Bombardement, toen asteroïden enorme inslagbassins uithakten en enorme vulkanen opstuwden.

Wetenschappers hebben nu goed opgeloste kaarten van riviernetwerken en topografie op zowel aarde als Mars, samen met een groeiend begrip van hun respectieve geschiedenissen. Perron and Black used this foundation to gain insight into Titan's topographic history.

"We know something about rivers, and something about topography, and we expect that rivers are interacting with topography as it evolves, " Black says. "Our goal was to use those pieces to crack the code of what formed the topography in the first place."

Conforming with topography

The team first compiled a map of river networks for Earth, Mars, and Titan. Such maps were previously made by others for Earth and Mars; Black generated a river map for Titan using images taken by Cassini. For all three maps, the researchers marked the direction each river appeared to flow.

They then compared topographic maps for all three planetary bodies, at varying degrees of resolution. Maps of Earth are sharp in detail, as are those for Mars, showing mountain peaks and impact basins in high relief. Daarentegen, due to Titan's thick, hazy atmosphere, the global map of Titan's topography is extremely fuzzy, showing only the broadest features.

In order to make direct comparisons between topographies, the researchers dialed down the resolution of maps for Earth and Mars, to match the resolution available for Titan. They then superimposed maps of each planetary body's river networks, onto their respective topographies, and marked every river that appeared to flow downhill.

Natuurlijk, rivers only flow downhill. But the team observed that rivers might appear to flow uphill, simply because a map at low resolution may not capture finer details such as mountain ranges which would divert a river's flow.

When the researchers tallied the percentage of rivers on Titan that appeared to flow downhill, the number more closely matched with Mars. They also compared what they called "topographic conformity"—the degree of divergence between a topography's slope and the direction of a river's flow. Hier ook, they found that Titan resembled Mars over Earth.

"One prediction we can make is that, when we eventually get more refined topographic maps of Titan, we will see topography that looks more like Mars than Earth, " Perron says. "Titan might have broad-scale highs and lows, which might have formed some time ago, and the rivers have been eroding into that topography ever since, as opposed to having new mountain ranges popping up all the time, with rivers constantly fighting against them."

Filling in a picture

One last question the researchers looked to answer was how cratering due to asteroid impacts on Mars has reshaped its topography.

Black used a simulation that the group previously developed, to model river erosion on Mars with different impact cratering histories. He found that the pattern of river networks on Mars today limits the extent to which cratering has remodeled the surface of Mars. This suggests that the biggest impact craters formed very early in Mars' history, and that later pummeling by asteroids mostly dented and dinged the surface.

As Cassini's mission is scheduled to come to an end in September, Perron says further investigation of Titan's surface will help to guide future missions to the distant moon.

"Any way of filling in the details of what Titan's surface is like, beyond what we can see directly in the images and topography Cassini has collected, will be valuable for planning a return, " Perron says.