De grootste maan van Saturnus, Titan, is een broeinest van organische moleculen, die een soep van complexe koolwaterstoffen herbergt, vergelijkbaar met de gedachte die meer dan vier miljard jaar geleden op de oeraarde bestond. het oppervlak van Titan, echter, bevindt zich in de vriezer bij –179 graden Celsius (–290 graden Fahrenheit, of 94 Kelvin). Het leven zoals we dat kennen kan niet bestaan ​​op het ijskoude oppervlak van de maan.

Diep ondergrond, echter, is een andere zaak. Zwaartekrachtmetingen uitgevoerd tijdens fly-bys door NASA's Cassini-ruimtevaartuig onthulden dat Titan een oceaan bevat onder zijn ijsschelp, en in deze oceaan, omstandigheden mogelijk geschikt zijn voor het leven.

Een door het NAI gefinancierd team onder leiding van onderzoekers van het Jet Propulsion Laboratory van NASA probeert het potentieel voor leven in de oceaan van Titan beter te begrijpen. en de mogelijke relatie met de organische moleculen in de atmosfeer van de maan en op het oppervlak. Titans rijke diversiteit aan organische moleculen is een product van ultraviolet licht van de zon dat chemische reacties initieert met de dominante gassen in de atmosfeer van Titan:waterstof, methaan en stikstof. De resulterende complexe koolwaterstoffen kunnen de bouwstenen van het leven zijn, of voorzien in chemische voedingsstoffen voor het leven, en binnen zijn oceaan herbergt Titan een potentiële habitat voor dat leven.

Onder leiding van Rosaly Lopes van JPL, de vier hoofddoelen van het NAi-team zijn om te bepalen hoe deze organische moleculen worden getransporteerd tussen de atmosfeer, het oppervlak en de oceaan, welke processen er vervolgens plaatsvinden in de oceaan om deze bewoonbaar te maken, welke biosignaturen het oceaanleven dan voortbrengt, en tot slot hoe die biosignaturen vervolgens terug naar de oppervlakte worden getransporteerd, waar ze konden worden gedetecteerd.

Project planning

Het project, die vijf jaar tot april 2023 door het NAi is gefinancierd, is georganiseerd rond de paden die organische moleculen en biosignaturen nemen door de atmosfeer en de ijsschelp rond de oceaan.

Het team telt momenteel 30 leden, verspreid over een aantal instellingen. "Onder elke doelstelling hebben we verschillende onderzoeken, en elk onderzoek heeft een hoofdonderzoeker, ", zegt Lopes. Elk onderzoek werkt volgens een schema, zodat de resultaten die voortkomen uit onderzoek naar de eerste doelstelling - het transport van organische moleculen - kunnen worden gebruikt voor studies in de volgende doelstellingen.

"Onze wetenschap volgt de organische moleculen op hun pad vanaf de top van de atmosfeer waar ze worden geconstrueerd, door de korst en in de oceaan, en als er daar biologie gebeurt, hoe die organische stoffen zich een weg banen naar de oppervlakte en zichtbaar worden, " zegt geochemicus en plaatsvervangend hoofdonderzoeker over het project, Mike Malaska van JPL.

Doelstelling 1:Vervoer

De eerste wetenschappelijke resultaten van het project zijn afkomstig van Conor Nixon en zijn team bij NASA Goddard, die de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili hebben gebruikt om de chemische inhoud van de atmosfeer van Titan te bestuderen. Door precies te weten welke moleculaire soorten in de atmosfeer worden aangetroffen, kunnen onderzoekers een uitgebreid fotochemisch model van de atmosfeer bouwen dat de basis legt om te begrijpen welke organische stoffen het oppervlak kunnen bereiken en mogelijk de oceaan kunnen binnendringen.

Veel van onze kennis van de atmosfeer van Titan komt van het Cassini-ruimtevaartuig, specifiek het CIRS-infraroodspectrometerinstrument. Echter, zegt Nixon, sommige moleculaire soorten waren te zwak in infrarood om door CIRS te worden gedetecteerd, maar ze zijn veel helderder voor ALMA. Vooral, Nixon citeert verschillende cyanidemoleculen, CH3CN, C2H3CN en C2H5CN, Dit zijn belangrijke stikstofbevattende moleculen in de atmosfeer van Titan die ALMA kon detecteren. In de tussentijd, er zijn veel meer moleculaire soorten die zowel door Cassini als door ALMA zijn ontdekt. De laatste heeft ruimtelijke variaties gedetecteerd in sporen van organische gassen die zijn ontstaan ​​​​door het uiteenvallen van methaan en moleculaire stikstof door ultraviolet licht van de zon. Terwijl deze sporengassen door de atmosfeer naar het oppervlak drijven, ze kunnen reageren met andere organische moleculen om steeds complexere organische stoffen te vormen. De waargenomen ruimtelijke variatie kan daarom van invloed zijn op de overvloed en soorten organische stoffen op het oppervlak, en welke organische stoffen zich dicht bij paden naar de ondergrond bevinden.

Cassini observeerde Titan gedurende een half Saturnus jaar, van noordelijke winter tot noordelijke zomer; nu de Cassini-missie is afgelopen, ALMA zal kunnen observeren hoe de atmosfeer verandert gedurende de rest van het jaar van Saturnus en Titan - en hoe de overvloed aan organische moleculen daarmee verandert. Bijvoorbeeld, analyse van Cassini-gegevens door het NAI-team heeft seizoensvariaties gevonden in de C3Hx-koolwaterstoffen zoals propaan en propyn in de stratosfeer van Titan.

De resterende onderzoeken in het kader van doelstelling 1 omvatten het begrijpen hoe moleculen over het oppervlak worden getransporteerd nadat ze uit de atmosfeer zijn neergeslagen, dat is een taak die wordt geleid door de groep van Alex Hayes aan de Cornell University. De volgende stap is om te begrijpen hoe de organische stoffen aan de oppervlakte worden gemodificeerd, en dan hoe ze van het oppervlak naar de oceaan worden verplaatst.

Deze laatste vraag heeft een verrassende mogelijkheid opgeleverd. Een van de belangrijkste resultaten van het project tot nu toe is een paper van Kelly Miller, Hunter Waite en NAi-teamlid Christopher Glein van het Southwest Research Institute in Texas, die suggereert dat de stikstofatmosfeer van Titan afkomstig is van organische moleculen die in Titan vastzaten toen de maan werd gevormd, en de daaropvolgende verwarming van deze gassen maakte stikstof vrij die naar de oppervlakte sijpelde. In het kader van het NAi-project, het suggereert dat er al organische stoffen in Titan zijn die van onderaf in de oceaan kunnen komen, dus zelfs als organische stoffen de oceaan niet kunnen bereiken vanaf het oppervlak, de oceaan kan nog steeds de bouwstenen van het leven bevatten.

"Deze organische stoffen kunnen mogelijk door cryovulkanisme naar boven sijpelen, " zegt Lopes, het creëren van een mogelijke oorsprong ook voor sommige van de organische stoffen op het oppervlak van Titan.

Doelstelling 2:Bewoonbaarheid

Als er paden bestaan ​​voor organische stoffen om door de ijsschelp van het oppervlak naar de oceaan eronder te gaan, dan is de volgende stap om erachter te komen of de oceaan, of waar dan ook in het ijs op de reis naar de oceaan, potentieel bewoonbaar is. Dit is waar de biologen van het team, hogedruk studeren, koude-tolerante organismen, in het spel komen.

Voordat dat kan, er moet meer bekend worden over de oceaan. Hoewel Cassini bevestigde dat de oceaan bestaat via zwaartekrachtmetingen, "Wat we niet weten, is de exacte samenstelling van de oceaan, zijn dichtheid, zijn thermisch profiel, de algehele structuur van de ijzige korst erop, ', zegt Malaska.

Om de oceaan en zijn mogelijke bewoonbaarheid beter te begrijpen, onderzoekers van het team beginnen met verschillende mogelijke composities waarvan redelijkerwijs kan worden verwacht dat ze bestaan, en achteruit werken, theoretische modellen te ontwikkelen.

Hoewel het misschien onmogelijk is om ooit de diepe ondergrond of oceaan van Titan rechtstreeks te verkennen, het NAi-team is van plan om zowel theoretische modellering als laboratoriumexperimenten te gebruiken om de mogelijke omstandigheden te simuleren, om de interface tussen de ijsschelp en de oceaan beter te begrijpen, en de oceaan met de rotsachtige kern, en de stroom van oxidanten en reductiemiddelen op deze grensvlakken die microben zouden kunnen ondersteunen.

Doelstelling 3:Leven

Om leven te laten bestaan ​​in of nabij de oceaan van Titan, er moet een bron van chemische energie zijn om te metaboliseren. Voortbouwend op het werk dat is gedaan in de doelstellingen 1 en 2 met betrekking tot hoe organische stoffen de oceaan bereiken en hoe de omgeving van de oceaan eruitziet, het team kan dan theoretische modellen construeren van hoeveel energie er in de oceaan beschikbaar is, evenals mogelijke metabolismes die onder die omstandigheden zouden kunnen bestaan, om de kans te meten dat het leven daar zou kunnen overleven.

Ervan uitgaande dat de oceaan bewoonbaar is, met bronnen van chemische energie en een gezonde aanvoer van organische stoffen, de omgeving met hoge druk en lage temperatuur kan de verscheidenheid aan levensvormen die daar zou kunnen bestaan, beperken. Echter, een terrestrisch organisme dat het team als een geschikt voorbeeld beschouwt, is: Pelobacter acetylenicus , die kan overleven op acetyleen als de enige bron van metabolische energie en koolstof.

"Ons doel is om te denken aan Pelobacter acetylenicus als het modelorganisme, iets dat zou kunnen bestaan ​​in de diepe ondergrond op Titan, " zegt Malaska. Er zullen laboratoriumexperimenten worden uitgevoerd, het plaatsen van microben zoals Pelobacter acetylenicus in gesimuleerde omgevingen beschreven door de bovengenoemde theoretische modellering om te zien of de microben erin kunnen gedijen, om te leren hoe ze zich aanpassen om te overleven, en welke nieuwe soorten biomoleculen het gevolg kunnen zijn van deze aanpassingen. Deze biomoleculen kunnen dan biosignaturen achterlaten - moleculaire sporen van leven.

Echter, terwijl het mogelijke bestaan ​​van leven in de oceaan van Titan allemaal goed en wel is, we moeten dat leven ook kunnen detecteren via biosignaturen. Begrijpen welke biomarkers het leven zou kunnen achterlaten, is daarom het tweede deel van doelstelling 3, en er zal een database met mogelijke biosignaturen worden geproduceerd, inclusief isotopen van koolstof, stikstof en zuurstof, evenals biologische structuren zoals de lipiden in celmembranen.

Doelstelling 4:Detectie

Natuurlijk, als de biosignaturen in de oceaan blijven, ze zullen onmogelijk te detecteren zijn vanuit een baan of aan de oppervlakte. Daarom, het uiteindelijke doel is om middelen te zoeken waarmee die biosignaturen naar de oppervlakte kunnen worden getransporteerd - het omgekeerde van het deel van doelstelling 1 dat manieren onderzocht waarop organische stoffen de oceaan vanaf het oppervlak zouden kunnen bereiken.

De belangrijkste transportmiddelen zijn waarschijnlijk ofwel convectief (d.w.z. warmer, slushy) ijs dat naar boven stijgt, of misschien cryovulkanisme.

"Methaan in de atmosfeer wordt vernietigd door ultraviolet licht, dus er moet wat bijgevuld worden, " merkt Lopes op. "En er kan nog steeds sprake zijn van uitgassing."

Hoewel er nog geen actief cryovulkanisme is gedetecteerd op Titan, verschillende functies op het oppervlak zijn geïdentificeerd als potentieel cryovulkanisch. "We bestuderen al theoretische manieren waarop cryovulkanisme materiaal kan transporteren, " zegt Lopes, in afwachting van wanneer de resultaten van doelstelling 3 beschikbaar zijn.

Het transport naar de oppervlakte kan onderweg ook bewoonbare omgevingen creëren. Als Mike Malaska verwijst naar de diepe ondergrond, hij bedoelt niet alleen de oceaan, maar reservoirs die ook zouden kunnen bestaan ​​in holtes langs de paden die organisch materiaal in en uit de ijsschelp neemt. Vooral, hij zegt, tussen 7 en 30 kilometer onder het oppervlak, op de grens tussen de stijve, broos ijs en des te taaier, zachter ijs, waar temperaturen en drukken enigszins vergelijkbaar zijn met 2 of 3 kilometer onder Antarctica, er kunnen kleine ruimten zijn tussen de ijskorrels van de ijsschelp waar microben zoals: Pelobacter acetylenicus zou kunnen gedijen. Dichter bij het oppervlak dan de ijsschelp zou ook kunnen betekenen dat de resulterende biomarkers uit deze delen van het ondergrondse leven het oppervlak gemakkelijker kunnen bereiken.

Het roept ook de vraag op hoe biosignaturen chemisch kunnen worden veranderd als ze door de paden in de ijsschelp stijgen, verschillende omgevingen tegenkomen:vloeibaar water, modderig ijs, en vast ijs - dat dan invloed zou hebben op wat we zouden kunnen verwachten aan het oppervlak te detecteren. Eindelijk, als ze eenmaal de oppervlakte hebben bereikt, hoe zullen toekomstige missies naar Titan deze biomarkers detecteren? Het uiteindelijke doel van het onderzoek is om een ​​beeld te schetsen van een potentiële biosfeer op Titan, zodat wetenschappers weten waar ze op moeten letten, en wat instrumenten te ontwerpen om te detecteren, als we terugkeren naar Titan.

"Dit is ons grote doel, om te proberen Titan te evalueren als een potentieel bewoonbaar systeem, " zegt Malaska. "We gaan een lijst maken van potentiële biomarkers en proberen aan te geven waar aan de oppervlakte een goede plek is om ze te zoeken."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.